KR20160119844A - Transistor using piezoresistor as channel, and electronic circuit - Google Patents
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Abstract
캐리어가 전도하는 피에조 저항체(10)와, 상기 피에조 저항체에 상기 캐리어를 주입하는 소스(14)와, 상기 피에조 저항체로부터 상기 캐리어를 받는 드레인(16)과, 상기 피에조 저항체를 둘러싸도록 설치되고, 상기 피에조 저항체에 압력을 가하는 압전체(12)와, 상기 압전체가 상기 피에조 저항체에 압력을 가하도록 상기 압전체에 전압을 인가하는 게이트(18)를 구비하는 트랜지스터를 제공한다.A source (14) for injecting the carrier into the piezoresistor; a drain (16) for receiving the carrier from the piezoresistor; and a resistor (16) provided to surround the piezoresistor There is provided a transistor including a piezoelectric body 12 for applying pressure to a piezo resistor and a gate 18 for applying a voltage to the piezoelectric body so that the piezoelectric body applies pressure to the piezo resistor.
Description
본 발명은 트랜지스터 및 전자회로에 관한 것으로서, 예를 들면 피에조 저항체를 채널에 사용한 트랜지스터 및 전자회로에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
특허문헌 1에는, 피에조 저항체를 채널로서 사용하고, 피에조 저항체에 압력을 인가하는 압전체를 게이트에 설치한 트랜지스터가 개시되어 있다.
그러나, 특허문헌 1의 트랜지스터에 있어서는 고항복강도 재료로 이루어지는 지지 구조를 이용하여 피에조 저항체 채널에 압전체 게이트로부터 압력을 가한다(또한, 이하, 압전체와 게이트를 합쳐서 압전체 게이트라고 부른다). 이 때문에, 압력의 인가효율은 충분하지는 않고, 또한 집적화의 장해가 된다. 또한, 소스와 드레인을 바꾸어 넣으면 특성이 바뀌어 버린다. 이 때문에, 소스와 드레인을 등가로 하는 회로에 특허문헌 1의 트랜지스터를 사용하는 것이 어렵다.However, in the transistor disclosed in
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 고항복강도 재료에 의한 디바이스(트랜지스터)의 지지 구조를 사용하지 않고, 압전체 게이트로부터 피에조 저항체 채널에 효과적으로 압력을 인가 가능하고, 또한 소스와 드레인을 바꾸어 넣기 가능한 트랜지스터 및 전자회로를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또는, 소스와 드레인을 바꾸어 넣기 가능한 트랜지스터 및 전자회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a piezoelectric resonator capable of effectively applying pressure from a piezoelectric gate to a piezo resistor channel without using a device (transistor) It is an object of the present invention to provide a transistor and an electronic circuit which are possible. Another object of the present invention is to provide a transistor and an electronic circuit capable of interchanging a source and a drain.
본 발명은 캐리어가 전도하는 피에조 저항체와, 상기 피에조 저항체에 상기 캐리어를 주입하는 소스와, 상기 피에조 저항체로부터 상기 캐리어를 받는 드레인과, 상기 피에조 저항체를 둘러싸도록 설치되고 상기 피에조 저항체에 압력을 가하는 압전체와, 상기 압전체가 상기 피에조 저항체에 압력을 가하도록 상기 압전체에 전압을 인가하는 게이트를 구비하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터이다.The present invention relates to a piezoelectric resonator comprising a piezo resistor which carries a carrier, a source for injecting the carrier into the piezo resistor, a drain for receiving the carrier from the piezoresistor, and a piezoelectric element And a gate for applying a voltage to the piezoelectric body so that the piezoelectric body applies pressure to the piezo resistor.
상기 구성에 있어서, 상기 게이트는 상기 압전체를 둘러싸도록 설치되고, 상기 압전체는 상기 피에조 저항체로부터 상기 게이트를 향하는 방향 또는 상기 게이트로부터 상기 피에조 저항체를 향하는 방향으로 유전분극하는 구성으로 할 수 있다.In the above structure, the gate may be provided so as to surround the piezoelectric body, and the piezoelectric body may be configured to be dielectric-polarized in a direction from the piezo resistor toward the gate or from the gate toward the piezoresistor.
상기 구성에 있어서, 상기 게이트는 상기 피에조 저항체 내의 채널을 전도하는 상기 캐리어의 전도 방향에 평행한 방향으로 복수 설치되고, 상기 압전체는 상기 평행한 방향으로 유전분극하는 구성으로 할 수 있다.In the above configuration, the plurality of gates may be provided in a direction parallel to the conduction direction of the carrier conducting the channel in the piezoresistor, and the piezoelectric body may be dielectric polarized in the parallel direction.
상기 구성에 있어서, 상기 압전체는 상기 캐리어의 전도 방향에 직교하는 모든 방향으로부터 상기 피에조 저항체를 둘러싸도록 설치되어 있는 구성으로 할 수 있다.In the above configuration, the piezoelectric body may be provided so as to surround the piezo resistor from all directions orthogonal to the conduction direction of the carrier.
상기 구성에 있어서, 상기 압전체는 상기 캐리어의 전도 방향에 직교하는 일부의 방향으로부터 상기 피에조 저항체를 둘러싸도록 설치되어 있는 구성으로 할 수 있다.In the above structure, the piezoelectric body may be provided so as to surround the piezo resistor from a direction orthogonal to the conduction direction of the carrier.
상기 구성에 있어서, 기판 상에 형성되고, 상기 피에조 저항체를 지지하는 지지체를 구비하며, 상기 피에조 저항체의 상면은 곡면이고, 상기 압전체는 상기 피에조 저항체의 상면 및 상기 지지체의 측면을 둘러싸는 구성으로 할 수 있다.In the above arrangement, it is preferable that the piezoelectric resonator is provided with a supporting member formed on the substrate and supporting the piezo resistor, wherein the upper surface of the piezo resistor is curved and the piezoelectric member surrounds the upper surface of the piezo resistor and the side surface of the support .
상기 구성에 있어서, 상기 지지체의 높이는 상기 피에조 저항체의 폭보다 큰 구성으로 할 수 있다.In the above configuration, the height of the support may be larger than the width of the piezo resistor.
상기 구성에 있어서, 상기 지지체의 재료는 상기 피에조 저항체의 재료와 같은 구성으로 할 수 있다.In the above configuration, the material of the support may have the same structure as the material of the piezo resistor.
상기 구성에 있어서, 상기 지지체의 재료는 상기 피에조 저항체의 재료와 다른 구성으로 할 수 있다.In the above configuration, the material of the support may be different from the material of the piezo resistor.
상기 구성에 있어서, 상기 소스와 상기 드레인은 상기 피에조 저항체에 있어서의 상기 소스와 상기 드레인의 중간의 면에 대하여 대칭인 구조이며, 상기 피에조 저항체, 상기 압전체 및 상기 게이트는 각각 상기 중간의 면에 대하여 대칭의 구조인 구성으로 할 수 있다.In the above structure, the source and the drain are symmetrical with respect to a plane between the source and the drain in the piezoresistor, and the piezoresistor, the piezoelectric body, and the gate are formed on the intermediate surface It can be a symmetrical structure.
본 발명은 제 1 전원과 제 2 전원의 사이에 접속된 회로와, 상기 트랜지스터로서, 상기 소스 및 상기 드레인의 어느 한쪽이 상기 제 1 전원에 접속되고, 상기 소스 및 상기 드레인의 다른쪽이 상기 회로의 전원단자에 접속되며, 상기 회로에 공급되는 전력을 차단하는 신호가 상기 게이트에 입력되는 상기 트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자회로이다.The present invention is a circuit comprising: a circuit connected between a first power supply and a second power supply; and one of the source and the drain is connected to the first power supply, and the other of the source and the drain is connected to the circuit And a transistor which is connected to a power supply terminal of the transistor and to which a signal for interrupting power supplied to the circuit is input to the gate.
상기 구성에 있어서, 데이터를 기억하는 쌍안정 회로와, 상기 쌍안정 회로에 기억된 데이터를 불휘발적으로 스토어하고, 불휘발적으로 스토어된 데이터를 상기 쌍안정 회로에 리스토어하는 불휘발성 소자를 구비하고, 상기 회로는 상기 쌍안정 회로인 구성으로 할 수 있다.And a nonvolatile element that stores data stored in the bistable circuit in a nonvolatile manner and restores nonvolatilely stored data in the bistable circuit, The circuit may be a bistable circuit.
상기 구성에 있어서, 상기 불휘발성 소자는 상기 쌍안정 회로 내의 노드와 제어선의 사이에 접속되어 있는 구성으로 할 수 있다.In the above configuration, the nonvolatile element may be connected between the node in the bistable circuit and the control line.
본 발명은 불휘발성 소자와, 상기 트랜지스터로서 상기 불휘발성 소자와 직렬로 상기 소스 또는 상기 드레인이 접속된 트랜지스터를 구비하는 불휘발성 메모리셀을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자회로이다.The present invention is an electronic circuit characterized by comprising a nonvolatile element and a nonvolatile memory cell including the transistor in which the source or the drain is connected in series with the nonvolatile element as the transistor.
본 발명은 상기 트랜지스터이며, 서로 상보형인 제 1 및 제 2 트랜지스터를 구비하고, 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터의 상기 압전체의 유전분극 방향은 서로 반대방향이며, 상기 소스를 기준으로 해서 상기 게이트에 정의 전압 또는 부의 전압을 가했을 경우에, 상기 압전체가 상기 피에조 저항체에 압력을 인가할 수 있는 방향인 것을 특징으로 하는 전자회로이다.The present invention is the transistor described above, wherein the transistor is provided with first and second transistors complementary to each other, wherein the dielectric polarization directions of the piezoelectric bodies of the first and second transistors are opposite to each other, Is a direction in which the piezoelectric body can apply pressure to the piezo resistor when a voltage or a negative voltage is applied to the piezo resistor.
본 발명은 제 1 방향으로 캐리어가 전도하는 피에조 저항체와, 상기 피에조 저항체에 상기 캐리어를 주입하는 소스와, 상기 피에조 저항체로부터 상기 캐리어를 받는 드레인과, 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로부터 상기 피에조 저항체에 압력을 가하는 압전체와, 상기 압전체가 상기 피에조 저항체에 압력을 가하도록 상기 압전체에 전압을 인가하는 게이트를 구비하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터이다.The present invention relates to a semiconductor device comprising: a piezo resistor which conducts a carrier in a first direction; a source which injects the carrier into the piezo resistor; a drain which receives the carrier from the piezo resistor; A piezoelectric body for applying pressure to the piezo resistor, and a gate for applying a voltage to the piezo resistor so as to apply pressure to the piezo resistor.
(발명의 효과)(Effects of the Invention)
본 발명에 의하면, 고항복강도 재료에 의한 디바이스(트랜지스터)의 지지 구조를 사용하지 않고, 압전체 게이트로부터 피에조 저항체 채널에 효과적으로 압력을 인가 가능하고, 또한 소스와 드레인을 바꾸어 넣기 가능한 트랜지스터 및 전자회로를 제공할 수 있다. 또는, 소스와 드레인을 바꾸어 넣기 가능한 트랜지스터 및 전자회로를 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a transistor and an electronic circuit capable of effectively applying pressure to a piezo resistor channel from a piezoelectric gate, and capable of switching a source and a drain, without using a device (transistor) supporting structure by a high- . Alternatively, it is possible to provide a transistor and an electronic circuit capable of switching the source and the drain.
도 1은 비교예 1에 의한 트랜지스터의 단면도이다.
도 2는 실시예 1에 의한 트랜지스터의 사시도이다.
도 3(a)는 실시예 1에 의한 제1형 트랜지스터의 사시 단면도, 도 3(b)는 단면도, 도 3(c)는 회로기호이다.
도 4(a)는 실시예 1에 의한 제2형 트랜지스터의 사시 단면도, 도 4(b)는 단면도, 도 4(c)는 회로기호이다.
도 5(a) 내지 도 5(f)는 실시예 1의 변형예에 의한 트랜지스터의 모식도이다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 각각 실시예 1 및 비교예 1의 시뮬레이션에 사용한 사이즈를 나타내는 도면이다. 간략화를 위해 소스, 드레인, 게이트 및 금속 콘택트는 나타내고 있지 않다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 각각 실시예 1 및 비교예 1에 있어서의 LPE에 대한 α를 나타내는 도면이다.
도 8(a) 및 도 8(b)는 각각 실시예 1 및 비교예 1에 있어서의 IPR에 대한 α를 나타내는 도면이다.
도 9(a) 및 도 9(b)는 각각 실시예 1 및 비교예 1에 있어서의 드레인 전압(VD)에 대한 드레인 전류(ID)를 나타내는 도면이다.
도 10(a) 및 도 10(b)는 각각 실시예 1 및 비교예 1에 있어서의 LPE에 대한 S를 나타내는 도면이다.
도 11(a) 및 도 11(b)는 각각 실시예 1 및 비교예 1에 있어서의 IPR에 대한 S를 나타내는 도면이다.
도 12(a) 내지 도 12(c)는 링 오실레이터의 시간에 대한 출력 전압을 나타내는 도면이다.
도 13(a) 및 도 13(b)는 실시예 2에 의한 전자회로의 블럭도이다.
도 14는 실시예 3에 의한 전자회로의 회로도이다.
도 15는 실시예 3의 변형예에 의한 전자회로의 회로도이다.
도 16(a)는 실시예 4에 의한 불휘발성 메모리셀의 회로도, 도 16(b)는 단면사시도이다.
도 17(a) 내지 도 17(f)는 실시예 5에 의한 전자회로를 나타내는 회로도(그 1)이다.
도 18(a) 내지 도 18(f)는 실시예 5에 의한 전자회로를 나타내는 회로도(그 2)이다.
도 19(a) 내지 도 19(c)는 실시예 6 및 그 변형예에 의한 트랜지스터의 단면도이다.
도 20(a)는 실시예 7에 의한 트랜지스터의 사시 단면도, 도 20(b) 및 도 20(c)는 단면도이다.
도 21(a)는 실시예 7의 변형예 1에 의한 트랜지스터의 사시 단면도, 도 21(b)는 단면도이다.
도 22(a)는 실시예 7의 변형예 2에 의한 트랜지스터의 사시 단면도, 도 22(b) 및 도 22(c)는 단면도이다.
도 23은 실시예 7의 변형예 3에 의한 트랜지스터의 단면도이다.
도 24(a)는 시뮬레이션 2를 사용한 드레인 특성을 나타내는 도면이고, 도 24(b)는 시뮬레이션 1과 2를 비교한 드레인 특성을 나타내는 도면이다.
도 25는 인버터 회로의 전달 특성을 나타내는 도면이다.
도 26(a) 및 도 26(b)는 각각 시뮬레이션 1 및 2에 있어서의 쌍안정 회로의 버터플라이 커브를 나타내는 도면이다.
도 27은 실시예 8에 의한 전자회로의 블럭도이다.1 is a cross-sectional view of a transistor according to a first comparative example.
2 is a perspective view of a transistor according to the first embodiment.
Fig. 3 (a) is a perspective sectional view of the first-type transistor according to the first embodiment, Fig. 3 (b) is a cross-sectional view, and Fig. 3 (c) is a circuit symbol.
Fig. 4A is a perspective sectional view of the second-type transistor according to the first embodiment, Fig. 4B is a cross-sectional view, and Fig. 4C is a circuit symbol.
5 (a) to 5 (f) are schematic diagrams of a transistor according to a modification of the first embodiment.
6 (a) and 6 (b) show the sizes used in the simulations of the first embodiment and the first comparative example, respectively. Source, drain, gate and metal contacts are not shown for simplicity.
Figs. 7 (a) and 7 (b) are diagrams showing α for L PE in Example 1 and Comparative Example 1, respectively.
Figs. 8 (a) and 8 (b) are diagrams showing α for I PR in Example 1 and Comparative Example 1, respectively.
9 (a) and 9 (b) are diagrams showing drain current (I D ) with respect to the drain voltage (V D ) in Example 1 and Comparative Example 1, respectively.
10 (a) and 10 (b) are views showing S for L PE in Example 1 and Comparative Example 1, respectively.
11 (a) and 11 (b) are diagrams showing S for I PR in Example 1 and Comparative Example 1, respectively.
Figs. 12 (a) to 12 (c) are diagrams showing the output voltage versus time of the ring oscillator. Fig.
13 (a) and 13 (b) are block diagrams of an electronic circuit according to the second embodiment.
14 is a circuit diagram of an electronic circuit according to the third embodiment.
15 is a circuit diagram of an electronic circuit according to a modification of the third embodiment.
16 (a) is a circuit diagram of a nonvolatile memory cell according to a fourth embodiment, and FIG. 16 (b) is a cross-sectional perspective view.
17A to 17F are circuit diagrams (1) showing an electronic circuit according to a fifth embodiment.
18 (a) to 18 (f) are circuit diagrams (part 2) showing an electronic circuit according to a fifth embodiment.
Figs. 19 (a) to 19 (c) are cross-sectional views of a transistor according to a sixth embodiment and modifications thereof.
FIG. 20A is a perspective sectional view of a transistor according to a seventh embodiment, and FIGS. 20B and 20C are cross-sectional views.
21 (a) is a cross-sectional view of a transistor according to a
22 (a) is a perspective sectional view of a transistor according to a
23 is a cross-sectional view of a transistor according to a
FIG. 24A is a diagram showing drain
25 is a diagram showing transfer characteristics of an inverter circuit.
26A and 26B are diagrams showing butterfly curves of the bistable circuits in the
27 is a block diagram of an electronic circuit according to the eighth embodiment.
최근의 마이크로프로세서나 SoC(System on a Chip) 등의 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 논리 시스템은 트랜지스터의 미세화와 고성능화를 양립시킴으로써 발전해 왔다. 이러한 양립은 트랜지스터의 미세화에 의거한 전류구동능력의 향상과 고밀도 집적화에 힘입은 바가 크다. 그러나, 트랜지스터의 미세화(테크놀로지 노드의 갱신)와 함께 소비전력이 증대하고 있다. 이 소비전력의 증대는 논리 시스템의 성능이나 트랜지스터의 집적밀도를 제한하는 중대한 문제가 된다. 또한, 최근의 CMOS 논리 시스템에 있어서의 중요한 응용의 하나인 스마트폰 등의 모바일 기기에 있어서는, 논리 시스템의 소비전력은 배터리의 이용 시간을 결정하는 요인의 하나로도 되고 있다.Recent CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) logic systems such as microprocessors and System on a Chip (SoC) have been developed by combining transistor miniaturization and high performance. Such compatibility is largely due to the improvement of the current driving ability based on the miniaturization of the transistor and the high density integration. However, the power consumption increases with the miniaturization of the transistor (the update of the technology node). This increase in power consumption is a serious problem that limits the performance of the logic system and the integration density of the transistors. Further, in a mobile device such as a smart phone, which is one of important applications in recent CMOS logic systems, the power consumption of the logic system is also one of the factors determining the battery usage time.
CMOS 논리 시스템에 있어서의 전원전압의 저전압화는 CMOS 논리 시스템의 저소비전력화에 매우 유효한 수단의 하나이다. 그러나, 저전압화는 논리 시스템의 동작 주파수(속도)를 심하게 열화시켜 버린다. 또한 저전압화는 디바이스의 변화에 대한 내성을 현저하게 열화시켜 버린다. 이러한 전원전압의 저전압화에 의한 문제가 생기는 주요인은 트랜지스터의 전류구동능력의 열화이다. 그래서, 보다 작은 입력전압으로 보다 큰 전류를 구동할 수 있는 "고감도"의 트랜지스터의 개발이 활발히 행해지고 있다. 또한, 저전압 동작에 있어서의 전체 소비전력에 대한 동적 전력과 정적 전력의 비율은 구동 전압의 저감과 함께 정적 전력이 커진다. 이 것으로부터, 저전압 동작에 있어서도 리크(서브스레숄드 리크)가 충분하게 낮은 트랜지스터가 요구된다. 이상과 같은 관점으로부터, 몇개의 신규한 디바이스가 연구 및 개발되어 있다. 그러나, 전류구동능력이 높아도 리크가 큰 디바이스나, 리크는 적어도 전류구동능력이 낮은 디바이스가 많다.The lowering of the power supply voltage in the CMOS logic system is one of the effective means for lowering the power consumption of the CMOS logic system. However, lowering the voltage significantly degrades the operating frequency (speed) of the logic system. In addition, the lowering of the voltage significantly deteriorates the resistance to the change of the device. The main cause of the problem caused by lowering the power supply voltage is deterioration of the current driving ability of the transistor. Therefore, a "high sensitivity" transistor capable of driving a larger current with a smaller input voltage has been actively developed. In addition, the ratio of the dynamic power to the static power with respect to the total power consumption in the low voltage operation decreases with the driving voltage, and the static power increases. Therefore, a transistor having sufficiently low leakage (subthreshold leakage) is required even in a low-voltage operation. From the above viewpoint, several new devices have been researched and developed. However, even if the current driving ability is high, there are many devices with large leakage and many devices with low leakage current driving ability.
전원전압이 0.2V 정도의 초저전압의 영역에서는 대폭적인 소비전력의 저감을 예상할 수 있다. 그러나, 종래의 CMOS 기술에서는 이러한 초저전압 동작시키면 전류구동능력의 저하에 따르는 회로성능의 열화가 심하여 활용은 곤란하다. 이러한 회로성능의 열화는 반도체를 채널에 사용하는 한, 어떤 반도체 재료를 이용하여도 근본적으로 해결하는 것은 어렵다. 금속 채널은 저항이 낮고, 저전압에서도 높은 전류구동능력을 실현할 수 있는 가능성이 있다. 그러나, 금속 채널을 사용하면 리크를 충분하게 낮추는 것은 원리적으로 어렵다. 따라서, 금속적으로 저항이 낮은 상태와, 절연체적으로 저항이 높은 상태의 2가지의 상태를 형성 가능한 금속-절연체 전이하는 재료를 트랜지스터의 채널에 사용하는 것이 고려된다. 이러한 트랜지스터는 초저전압 구동에 알맞은 디바이스라고 생각된다. 최근, 큰 피에조 효과를 가지는 압전체를 게이트에 이용하고, 압력에 의해 금속-절연체 전이를 야기하는 피에조 저항 효과를 갖는 피에조 저항체를 채널에 이용하는 PET(Piezoelectronic Transistor)라고 불리는 새로운 트랜지스터가 제안되어 있다(특허문헌 1).It is possible to expect a considerable reduction in the power consumption in the region of the ultra low voltage having the power supply voltage of about 0.2V. However, in the conventional CMOS technology, when such an ultra-low voltage operation is performed, deterioration of the circuit performance due to deterioration of the current driving capability is severe, which is difficult to use. Such deterioration of circuit performance is difficult to fundamentally solve with any semiconductor material as long as the semiconductor is used for the channel. The metal channel has a low resistance and is likely to realize a high current driving capability even at a low voltage. However, if metal channels are used, it is in principle difficult to lower the leakage sufficiently. Therefore, it is considered to use a material for metal-insulator transition which can form two states of low resistance in metal and high resistance in insulator, for the channel of the transistor. These transistors are considered suitable devices for ultra-low voltage driving. In recent years, a new transistor called a piezoelectronic transistor (PET) has been proposed, which uses a piezoresistor having a large piezo effect as its gate and a piezoresistive effect as a channel causing a metal-insulator transition under pressure as a channel Document 1).
도 1은 비교예 1에 의한 트랜지스터(PET)의 단면도이다. 비교예 1은 특허문헌 1의 구조를 응용한 예이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 소스(14)와 드레인(16)의 사이에 피에조 저항체(10)가 설치되어 있다. 소스(14) 아래(피에조 저항체(10)와 반대측)에 압전체(12)가 설치되어 있다. 압전체(12) 밑에 게이트(18)가 설치되어 있다. 게이트(18)로부터 드레인(16)까지의 적층체는 고항복강도 재료로 이루어지는 지지 구조체(20)에 의해 지지되어 있다. 소스(14)와 게이트(18)의 사이에 전압을 인가하면 압전체(12)가 변위한다. 이것에 의해, 압전체(12)로부터 피에조 저항체(10)에 압력이 가해진다.1 is a cross-sectional view of a transistor (PET) according to Comparative Example 1. Fig. Comparative Example 1 is an example in which the structure of
PET에서는 압력에 의해 금속-절연체 전이하는 피에조 저항체(10)를 채널에 사용한다. 피에조 저항체(10)는 온시의 금속상에 있어서의 저항은 매우 낮고, 큰 전류구동능력을 기대할 수 있다. 이 피에조 저항체의 압력에 대한 저항 변화율은 거대하고, 오프시의 채널 저항을 매우 높게 할 수 있다. 이 때문에, 충분한 온/오프 전류비를 기대할 수 있다. 또한, PET에서는 압전체(12)의 유전분극의 방향을 반대로 함으로써 MOSFET에 있어서의 p채널 동작과 n채널 동작과 같은 동작을 실현할 수 있다. 이 때문에, CMOS 회로와 같이 상보형의 트랜지스터를 사용한 회로도 구성 가능하다.In PET, a
PET에 있어서 높은 전류구동능력과 급준한 서브스레숄드 특성을 실현하기 위해서는 큰 압전효과를 갖는 압전체(12)를 사용하는 것이 요구된다. 이러한 압전체(12)의 특성 뿐만 아니라, 압전체(12)로부터 효율적으로 피에조 저항체에 압력을 가할 수 있는 디바이스 구조도 매우 중요하게 된다. 지금까지 제안된 PET에서는, 피에조 저항체에 압력을 가하기 위해서, 고항복강도 재료 등으로 이루어지는 지지 구조체(20) 등의 디바이스의 지지 구조가 사용된다. 이러한 지지 구조는 집적회로의 고밀도 집적화에 적합하지 않다. 또한, 지지 구조체(20)의 존재에 의해 생기는 각종 기생 소자에 의한 성능 열화를 일으킬 가능성이 있다. 또한, 이러한 지지 구조는 압전체(12)로부터 고효율로 피에조 저항체로 이루어지는 채널에 압력을 가하는데에 적합한 구조로도 되어 있지 않다. 따라서, PET에서는 이러한 디바이스의 지지 구조를 사용하지 않고, 채널에 효율적으로 압력을 가할 수 있는 디바이스 구조의 실현이 중요하게 된다.In order to realize a high current driving capability and a sharp subthreshold characteristic in PET, it is required to use a
이하에 설명하는 실시예에서는 디바이스의 지지 구조를 사용하지 않고, 집적회로에 적합한 디바이스 구조를 갖는 PET를 실현할 수 있다. 또한, 압전체 게이트로부터 피에조 저항체 채널에 고효율로 압력을 인가할 수 있는 구조를 갖는 PET를 실현할 수 있다. 이 디바이스 구조의 PET에 의해 높은 전류구동능력과 급준한 서브스레숄드 특성을 실현할 수 있다. 또한, PET의 저임피던스성을 이용한 파워게이팅 회로, PET의 저전압하에 있어서의 고속 동작성을 이용한 저소비전력의 기억회로 및 논리회로를 실현할 수 있다.In the embodiments described below, PET having a device structure suitable for an integrated circuit can be realized without using the supporting structure of the device. Further, it is possible to realize PET having a structure capable of applying a high-efficiency pressure from the piezoelectric gates to the piezo resistor channel. The device structure PET can realize high current drive capability and steep subthreshold characteristics. In addition, it is possible to realize a power gating circuit using low impedance of PET and a memory circuit and logic circuit of low power consumption using high-speed operation under PET at low voltage.
실시예 1Example 1
실시예 1은 PET의 예이다. 도 2는 실시예 1에 의한 트랜지스터의 사시도이다. 도 3(a)는 실시예 1에 의한 제1형 트랜지스터의 사시 단면도, 도 3(b)는 단면도, 도 3(c)는 회로기호이다. 도 4(a)는 실시예 1에 의한 제2형 트랜지스터의 사시 단면도, 도 4(b)는 단면도, 도 4(c)는 회로기호이다.Example 1 is an example of PET. 2 is a perspective view of a transistor according to the first embodiment. Fig. 3 (a) is a perspective sectional view of the first-type transistor according to the first embodiment, Fig. 3 (b) is a cross-sectional view, and Fig. 3 (c) is a circuit symbol. Fig. 4A is a perspective sectional view of the second-type transistor according to the first embodiment, Fig. 4B is a cross-sectional view, and Fig. 4C is a circuit symbol.
도 2 내지 도 4(c)에 나타내는 바와 같이, 피에조 저항체(10) 내의 중심축을 z축으로 하고, 지름 방향을 r 방향으로 한다. 피에조 저항체(10)는 원통 형상이다. 피에조 저항체(10)의 양단에는 소스(14)와 드레인(16)이 설치되어 있다. 소스(14)는 피에조 저항체(10)에 캐리어(예를 들면 전자)를 주입한다. 드레인(16)은 피에조 저항체(10)로부터 캐리어를 수취한다. 피에조 저항체(10) 내를 소스(14)로부터 드레인(16) 방향으로 캐리어가 전도한다. 캐리어의 전도 방향은 z 방향이다. 소스(14)와 피에조 저항체(10)의 사이에는 금속 콘택트층(15)이 형성되고, 드레인(16)과 피에조 저항체(10)의 사이에는 금속 콘택트층(17)이 형성되어 있다. 금속 콘택트층(15 및 17)은 압전체(12)에 접촉하고 있고, 피에조 저항체(10)가 절연상인 경우에 압전체(12)에 유효하게 게이트 전압을 가하기 위해서 사용된다. 금속 콘택트층(15 및 17)은 피에조 저항체(10)에 효과적으로 압력이 가하여지도록 영율이 작은 것이 바람직하다. 압전체(12)가 피에조 저항체(10)를 둘러싸도록 설치되어 있다. 압전체(12)는 도넛 형상이다. 압전체(12)의 주위에 게이트(18)가 설치되어 있다.As shown in Figs. 2 to 4 (c), the central axis in the
도 3(a) 및 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 제1형 트랜지스터(11a)에 있어서 압전체(12)의 유전분극 방향(22)은 -r 방향이다. 예를 들면, 소스(14)를 기준으로 해서 게이트(18)와 소스(14)의 사이에 정의 전압이 인가되면, 압전체(12)는 피에조 저항체(10)에 압력을 가한다. 이것에 의해, 피에조 저항체(10)는 금속상으로 된다. 따라서, 소스(14)로부터 드레인(16)에 캐리어가 전도된다. 게이트(18)와 소스(14)의 사이에 전압이 인가되지 않으면, 피에조 저항체(10)에는 압력이 가해지지 않고 피에조 저항체(10)가 절연상으로 된다. 이것에 의해, 소스(14)로부터 드레인(16)으로의 캐리어의 전도가 차단된다. 이와 같이, 제1형 트랜지스터(11a)는 소스(14)를 기준으로 게이트(18)에 정측의 전압이 가해지면 피에조 저항체(10)는 온한다(금속상으로 된다). 이러한 동작은 MOSFET에 있어서의 n채널 FET의 동작과 동등으로 간주할 수 있다. 그래서, 제1형 트랜지스터(11a)를 편의적으로 n채널이라고 칭하고, 도 3(c)와 같은 회로기호로 나타낸다. 도 3(c)에 있어서, 소스 S는 소스(14), 드레인 D는 드레인(16) 및 게이트 G는 게이트(18)에 각각 대응한다.As shown in Figs. 3A and 3B, the
도 4(a) 및 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 제2형 트랜지스터(11b)에 있어서 압전체(12)의 유전분극 방향(22)은 +r 방향이다. 예를 들면, 소스(14)를 기준으로 해서 게이트(18)와 소스(14)의 사이에 부의 전압을 인가하면, 피에조 저항체(10)에 압력이 가해진다. 이것에 의해, 피에조 저항체(10)는 금속상이 된다. 게이트(18)와 소스(14)의 사이에 전압이 인가되지 않으면, 피에조 저항체(10)에는 압력이 가해지지 않고, 피에조 저항체(10)가 절연상으로 된다. 이것에 의해, 소스(14)로부터 드레인(16)으로의 캐리어의 전도가 차단된다. 이와 같이, 제2형 트랜지스터(11b)는 소스(14)를 기준으로 게이트(18)에 부측의 전압이 가해지면 피에조 저항체(10)가 온한다(금속상으로 된다). 이러한 동작은, MOSFET에 있어서의 p채널 FET의 동작과 동등으로 간주할 수 있다. 그래서, 제2형 트랜지스터(11b)를 편의적으로 p채널이라고 칭하고, 도 4(c)와 같은 회로기호로 나타낸다.As shown in Figs. 4 (a) and 4 (b), the
이와 같이, 이하의 설명에 있어서의 PET의 n채널 및 p채널은 피에조 저항체(10)로 이루어지는 채널을 전도하는 캐리어가 전자인가 홀인가가 아니라, MOSFET의 n채널 FET의 동작과 같은지 p채널 FET의 동작과 같은지에 의해 규정하고 있다.As described above, the n-channel and the p-channel of PET in the following description are the same as the operation of the n-channel FET of the MOSFET, not the carrier for conducting the channel of the
도 5(a) 내지 도 5(f)는 실시예 1의 변형예에 의한 트랜지스터의 모식도이다. 도 5(a) 및 도 5(c)는 사시 단면도, 도 5(b) 및 도 5(d)는 단면도, 도 5(e) 및 도 5(f) 회로기호이다. 도 5(a) 및 도 5(b)에 나타내는 바와 같이, 트랜지스터(11c)에서는 압전체(12)의 유전분극 방향은 -z 방향이다. 압전체(12)의 z 방향에 대향하도록 게이트(18a 및 18b)가 설치되어 있다. 게이트(18b)를 기준으로 해서 게이트(18a)와 게이트(18b) 사이에 정의 전압을 인가함으로써 압전체(12)는 피에조 저항체(10)에 압력을 가할 수 있다.5 (a) to 5 (f) are schematic diagrams of a transistor according to a modification of the first embodiment. Figs. 5A and 5C are cross-sectional views, Figs. 5B and 5D are sectional views, and Figs. 5E and 5F are circuit symbols. As shown in Figs. 5 (a) and 5 (b), in the
도 5(c) 및 도 5(d)에 나타내는 바와 같이, 트랜지스터(11d)에서는 압전체(12)의 유전분극 방향은 z 방향이다. 게이트(18b)를 기준으로 해서 게이트(18a)와 게이트(18b) 사이에 부의 전압을 인가함으로써 압전체(12)는 피에조 저항체(10)에 압력을 가할 수 있다. 따라서, 트랜지스터(11c)와 트랜지스터(11d)는 서로 상보형의 트랜지스터로 된다.As shown in Figs. 5 (c) and 5 (d), in the
도 5(e) 및 도 5(f)에 있어서, G1이 게이트(18a)에 대응하고, G2가 게이트(18b)에 대응한다. 예를 들면, G2를 그라운드와 같은 참조 전압(또는 소스 등)에 접속했을 경우, G2를 기재하지 않고 도 3(c) 및 도 4(c)와 같은 회로기호로 나타낼 수도 있다. 이하, G2를 소스와 동 전위로 해서 표기를 생략한다.In Figs. 5 (e) and 5 (f), G1 corresponds to the
실시예 1에서는 게이트(18)은 압전체(12)를 둘러싸도록 설치되어 있다. 압전체(12)는 바깥쪽 방향 또는 안쪽 방향(예를 들면, 피에조 저항체(10) 내에 대하여 방사상)으로 유전분극한다. 실시예 1의 변형예에서는, 게이트(18a 및 18b)는 z 방향에 대향하는 압전체(12)의 면(즉, z 방향에 수직인 면)에 z 방향에 평행하게 복수 설치되어 있다. 압전체(12)는 z 방향으로 유전분극한다. 이와 같이, 압전체(12)의 유전분극 방향은 적당하게 설정한다. 압전체(12) 내의 유전분극 방향을 반대의 방향으로 함으로써 간단하게 상보적인 트랜지스터를 형성할 수 있다.In the first embodiment, the
실시예 1 및 그 변형예에서는, 압전체(12)가 피에조 저항체(10)를 둘러싸고 피에조 저항체(10)에 주위로부터 압력을 가한다. 이 때문에, 비교예 1과 같은 디바이스의 지지 구조를 사용하지 않아도 좋다. 피에조 저항체(10)를 원통 형상, 압전체(12)를 도넛 형상을 예로 설명했지만, 피에조 저항체(10) 및 압전체(12)의 형상은 이것들에는 한정되지 않는다. 예를 들면, 피에조 저항체(10)는 사각기둥 등의 다각기둥이어도 좋다. 또한, 다각기둥의 각은 둥글게 테두리되어 있어도 좋다. 이 경우, 실시예 1에서는 압전체(12) 내의 유전분극의 방향은 피에조 저항체(10)로부터 게이트(18)를 향하는 방향 또는 게이트(18)로부터 피에조 저항체(10)를 향하는 방향이 된다. 실시예 1의 변형예에서는 유전분극 방향은 z 방향으로 된다. 피에조 저항체(10)에 균일하게 압력을 가하기 위해서, 피에조 저항체 및 압전체(12)는 z축에 대하여 회전 대칭인 것이 바람직하다.In the first embodiment and its modifications, the
실시예 1 및 그 변형예(변형예에 있어서는 금속 콘택트(15 및 17)가 형성되어 있을 경우)에 있어서, 금속 콘택트(15 및 17)를 압전체(12)에 접촉한 채 형성하고, 소스(14) 및 드레인(16)으로 해도 된다. 이 경우, 소스(14) 및 드레인(16)과 압전체(12)의 사이가 접촉해도 좋다. 이와 같이, 소스(14) 및 드레인(16)에 영율이 작은 재료(예를 들면, 영율이 피에조 저항체(10)와 같은 정도 또는 피에조 저항체(10)보다 작은 재료)를 사용하면, 소스(14) 및 드레인(16)과 압전체(12)가 접촉하고 있어도 된다. 소스(14) 및 드레인(16)의 영율이 클 경우, 도 3(a), 도 3(b), 도 4(a), 도 4(b), 도 5(a) 내지 도 5(d)와 같이, 소스(14) 및 드레인(16)과 압전체(12)의 사이에 공극을 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 도 5(a) 내지 도 5(d)에 있어서, 소스(14) 및 드레인(16)과 압전체(12)의 사이에 공극이 형성되어 있지만, 소스(14) 및 드레인(16)의 영율이 피에조 저항체(10)와 같은 정도 또는 피에조 저항체(10)보다 작은 경우에는 압전체(12)와는 접촉하고 있어도 된다.The
피에조 저항체(10)는 가하여지는 기계적인 압력에 의해 전기저항이 변화되는 피에조 저항 효과를 갖는 재료로 이루어진다. 피에조 저항체(10)에 압력이 가해짐으로써 피에조 저항체(10)의 저항율이 2자리 이상 변화되는 것이 바람직하고, 4자리 이상 변화되는 것이 보다 바람직하고, 5자리 이상 변화되는 것이 더욱 바람직하다. 이러한 재료로서, 예를 들면 SmSe, TmSe, SmS, Ca2RuO4, (Ca, Ba, SrRu)O3, Ni(SxSe1-x)2C, 또는 (V1-xCrx)2O3을 피에조 저항체(10)에 사용할 수 있다.The
압전체(12)는 인가되는 전압에 의해 기계적으로 변형하는 역압전 효과를 갖는 재료로 이루어진다. 압전체(12)의 재료로서는, 예를 들면 이하의 ABC3형의 페로브스카이트 구조물질을 사용할 수 있다.The
(Pb, M1)(Ti, M2)O3,(Pb, M1) (Ti, M2)
(Bi, M1)(Zn, Ti, M2)O3,(Bi, M1) (Zn, Ti, M2)
(Bi, M1)(Na, Ti, M2)O3,(Bi, M1) (Na, Ti, M2)
(K, M1)(Nb, M2)O3,(K, M1) (Nb, M2)
(Li, M1)(Nb, M2)O3,(Li, M1) (Nb, M2)
(Li, M1)(Ta, M2)O3,(Li, M1) (Ta, M2)
또는or
(Na, M1)(Nb, M2)O3 (Na, M1) (Nb, M2)
여기에서, M1은 가수가 1-3가의 Li, Ca, Ba, Sr, Bi, Pb 또는 란타노이드 등이다. M2는 가수가 2-6가의 Zr, Hf, Mg/Nb, Mg/Ta, In/Sc 등이다.Here, M1 is Li, Ca, Ba, Sr, Bi, Pb or lanthanoid with a valence of 1-3. M2 is Zr, Hf, Mg / Nb, Mg / Ta, In / Sc and the like having a valence of 2-6.
페로브스카이트 구조물질 이외의 재료로서 이하를 사용할 수 있다.As the material other than the perovskite structure material, the following can be used.
(Hf, M3)O2 (Hf, M3) O 2
여기에서, M3은 Sr, Si, Ba, Ca, Mg, Zr, Ce, Ti, Ge, Sn, Nb, Ta 또는 란타노이드이다.Here, M3 is Sr, Si, Ba, Ca, Mg, Zr, Ce, Ti, Ge, Sn, Nb, Ta or lanthanoids.
압전체(12)의 재료로서 전형적으로는 PZT(티탄산 지르콘산 납), PSZT(스트론튬 첨가 티탄산 지르콘산 납), PMT-PT(마그네슘니오브산-티탄산 납), 또는 PZN-PT(아연니오브산-티탄산 납)을 사용할 수 있다. 소스(14), 드레인(16) 및 게이트(18)는 금속 등의 도전체이다.PTZ (lead magnesium niobate-lead titanate), or PZN-PT (zinc niobate-titanate-lead zirconate-titanate lead zirconate titanate) is used as the material of the
금속 콘택트층(15 및 17)은 영율 및 저항율이 작은 것이 바람직하다. 이러한, 재료로서 Al(68), Mg(65), Ag(76), Au(80), Pb(14), Ca(23), Sn(41), Bi(31),또는 In(10)을 사용할 수 있다. 괄호 내는 영율(GPa)을 나타낸다. 예를 들면, 금속 콘택트층(15 및 17)의 영율은 피에조 저항체(10)와 같은 정도 또는 피에조 저항체(10)보다 작은 것이 바람직하다.The metal contact layers 15 and 17 preferably have a low Young's modulus and low resistivity. As such materials, Al (68), Mg (65), Ag (76), Au (80), Pb (14), Ca (23), Sn (41) Can be used. The parentheses indicate the Young's modulus (GPa). For example, it is preferable that the Young's modulus of the metal contact layers 15 and 17 is about the same as that of the
피에조 저항체(10), 압전체(12), 금속 콘택트층(15 및 17), 및 소스(14), 드레인(16) 및 게이트(18)는, 예를 들면 스퍼터링법, CVD(Chemical Vapor Deposition)법을 이용하여 형성할 수 있다.The
실시예 1과 비교예 1의 트랜지스터 특성을 시뮬레이션했다. 피에조 저항체(10)를 SmSe, 압전체(12)를 PMT-PT라고 했다.The transistor characteristics of Example 1 and Comparative Example 1 were simulated. The
도 6(a) 및 도 6(b)는 각각 실시예 1 및 비교예 1의 시뮬레이션에 사용한 사이즈를 나타내는 도면이다. 간략화를 위해서, 소스, 드레인, 게이트 및 금속 콘택트는 나타내고 있지 않다. 도 6(a)에 나타내는 바와 같이, 실시예 1에 있어서 압전체(12)가 피에조 저항체(10)에 압력을 가한다. 압력이 가해지는 r 방향의 피에조 저항체(10)의 두께 IPR(반경에 상당한다), r 방향의 압전체(12)의 두께 LPE로 한다. 피에조 저항체(10)의 z 방향의 두께 hPR, 압전체(12)의 z 방향의 두께 HPE로 한다. z축으로부터 압전체(12)의 r 방향의 중심까지의 거리 RPE로 한다. 압전체(12)가 피에조 저항체(10)에 압력을 가하는 면(즉, 압전체(12)와 피에조 저항체(10)가 마주보는 면)의 면적을 피에조 저항체(10)에 대해서 면적 aPR, 압전체(12)에 대해서 APE로 한다. aPR=2πIPRhPR이며, APE=2πIPRHPE이다. 따라서, 면적비 aPR/APE=hPR/HPE가 된다.6 (a) and 6 (b) show the sizes used in the simulations of the first embodiment and the first comparative example, respectively. For simplicity, the source, drain, gate, and metal contacts are not shown. As shown in Fig. 6 (a), in the first embodiment, the
도 6(b)에 나타내는 바와 같이, 비교예 1에 있어서 압전체(12)가 피에조 저항체(10)에 압력을 가하는 방향을 x 방향이라고 한다. 피에조 저항체(10)의 x 방향의 두께 IPR, 압전체(12)의 x 방향의 두께 LPE라고 한다. 압전체(12)와 피에조 저항체(10)가 마주보는(x 방향에 직교하는 면으로 되는) 피에조 저항체(10)의 면적 aPR, 압전체(12)의 면적 APE라고 한다.As shown in Fig. 6 (b), the direction in which the
이상과 같이 크기의 파라미터를 규정함으로써 실시예 1과 비교예 1의 비교가 가능해진다.By specifying the parameter of the size as described above, it is possible to compare the first embodiment and the first comparative example.
우선, 실시예 1 및 비교예 1의 게이트(18)에 인가되는 게이트 전압(VG)에 대하여 피에조 저항체(10)에 가해지는 압력(P)의 비를 나타내는 계수(α)에 대해서 계산했다. P=αVG이다. 계수(α)가 큰 쪽이 피에조 저항체(10)에 효율적으로 압력이 가해지는 것을 나타내고 있다.First of all, a coefficient? Representing the ratio of the pressure P to the
도 7(a) 및 도 7(b)는 각각 실시예 1 및 비교예 1에 있어서의 LPE에 대한 α를 나타내는 도면이다. IPR은 3㎚로 고정했다. 복수의 실선은 화살표 방향으로 aPR/APE를 0.2에서 1.0까지 0.2스텝으로 바꾸고 있다. 이하의 실시예 1 및 비교예 1에 대한 도면도 같다. 도 7(a)에 나타내는 바와 같이, aPR/APE가 작은 쪽이 α는 크다. α는 LPE에는 그다지 의존하지 않는다. 도 7(b)에 나타내는 바와 같이, aPR/APE가 작은 쪽이 α는 크다. α는 LPE가 커지면 작아진다.Figs. 7 (a) and 7 (b) are diagrams showing α for L PE in Example 1 and Comparative Example 1, respectively. I PR was fixed at 3 nm. A plurality of solid lines change a PR / A PE from 0.2 to 1.0 in 0.2 steps in the direction of the arrow. The drawings for Example 1 and Comparative Example 1 are also shown below. As shown in Fig. 7 (a), when a PR / A PE is small,? Is large. α does not depend much on L PE . As shown in FIG. 7 (b), when a PR / A PE is small,? Is large. α becomes smaller as L PE becomes larger.
도 8(a) 및 도 8(b)는 각각 실시예 1 및 비교예 1에 있어서의 IPR에 대한 α를 나타내는 도면이다. LPE는 40㎚에 고정했다. 도 8(a)에 나타내는 바와 같이, aPR/APE가 작은 쪽이 α는 크다. IPR이 작은 쪽이 α는 크다. 도 8(b)에 나타내는 바와 같이, aPR/APE가 작은 쪽이 α는 크다. IPR이 작은 쪽이 α는 크다.Figs. 8 (a) and 8 (b) are diagrams showing α for I PR in Example 1 and Comparative Example 1, respectively. L PE was fixed at 40 nm. As shown in FIG. 8 (a), when a PR / A PE is small,? Is large. If I PR is smaller, α is larger. As shown in FIG. 8 (b), when a PR / A PE is small,? Is large. If I PR is smaller, α is larger.
도 7(a) 및 도 8(a)와, 도 7(b) 및 도 8(b)를 비교하면, 예를 들면, LPE=40㎚, IPR=3㎚ 및 aPR/APE=0.4에서는, 실시예 1에서는 비교예 1에 비하여 α가 2배 정도 크다. 이와 같이, 실시예 1에서는 비교예 1에 비하여 피에조 저항체(10)에 효율적으로 압력을 인가할 수 있다. 이것에 의해, 전류구동능력을 높게 할 수 있다.Figure 7 (a) and 8 (a) and Fig. 7 (b), and when compared to 8 (b), for example, L PE = 40㎚, I PR = 3㎚ and a PR / A PE = 0.4, the? Value in Example 1 is twice as large as that in Comparative Example 1. As described above, in the first embodiment, the pressure can be efficiently applied to the
도 9(a) 및 도 9(b)는 각각 실시예 1 및 비교예 1에 있어서의 드레인 전압(VD)에 대한 드레인 전류(ID)를 나타내는 도면이다. 실시예 1에서는 IPR=3㎚, LPE=40㎚, hPR=12㎚, HPE=30㎚ 및 aPR/APE=0.4이다. 비교예 1에서는 IPR=3㎚, LPE=40㎚, aPR=100㎚2, APE=250㎚2 및 aPR/APE=0.4이다. 복수 있는 실선은 게이트 전압(VG)을 0V에서 0.2V까지 0.01V 스텝으로 인가한 것이다.9 (a) and 9 (b) are diagrams showing drain current (I D ) with respect to the drain voltage (V D ) in Example 1 and Comparative Example 1, respectively. In Example 1, I PR = 3 nm, L PE = 40 nm, h PR = 12 nm, H PE = 30 nm and a PR / A PE = 0.4. In Comparative Example 1, I PR = 3 nm, L PE = 40 nm, a PR = 100 nm 2 , A PE = 250 nm 2 and a PR / A PE = 0.4. A plurality of solid lines indicate that the gate voltage (V G ) is applied from 0 V to 0.2 V in 0.01 V steps.
도 9(a) 및 도 9(b)에 나타내는 바와 같이, 실시예 1의 드레인 전류(ID)는 비교예 1보다 3배 크다. 이와 같이, 실시예 1은 비교예 1에 비해 전류구동능력이 3배 이상 크다.As shown in Figs. 9 (a) and 9 (b), the drain current I D of the first embodiment is three times larger than that of the first comparative example. As described above, in Example 1, the current driving capability is three times or more larger than that in Comparative Example 1.
이어서, 서브스레숄드 슬로프(S)를 계산했다. 서브스레숄드 슬로프(S)가 작으면, 게이트(18)에 의해 피에조 저항체(10)를 오프했을 때의 리크 전류가 작아진다.Subthreshold slope S was then calculated. When the subthreshold slope S is small, the leakage current when the
도 10(a) 및 도 10(b)는 각각 실시예 1 및 비교예 1에 있어서의 LPE에 대한 S를 나타내는 도면이다. IPR은 3㎚에 고정했다. 도 10(a)에 나타내는 바와 같이, aPR/APE가 작은 쪽이 S는 작다. S는 LPE를 작게 하면 감소한다. 도 10(b)에 나타내는 바와 같이, aPR/APE가 작은 쪽이 S는 작다. LPE가 작은 쪽이 S는 작다.10 (a) and 10 (b) are views showing S for L PE in Example 1 and Comparative Example 1, respectively. I PR was fixed at 3 nm. As shown in Fig. 10 (a), when a PR / A PE is small, S is small. S decreases with decreasing L PE . As shown in Fig. 10 (b), when a PR / A PE is small, S is small. If L PE is small, S is small.
도 11(a) 및 도 11(b)는 각각 실시예 1 및 비교예 1에 있어서의 IPR에 대한 S를 나타내는 도면이다. LPE는 40㎚에 고정했다. 도 11(a)에 나타내는 바와 같이, aPR/APE가 작은 쪽이 S는 작다. IPR이 작은 쪽이 S는 작다. 도 11(b)에 나타내는 바와 같이, aPR/APE가 작은 쪽이 S는 작다. IPR이 작은 쪽이 S는 작다.11 (a) and 11 (b) are diagrams showing S for I PR in Example 1 and Comparative Example 1, respectively. L PE was fixed at 40 nm. As shown in Fig. 11 (a), when a PR / A PE is small, S is small. I PR is small and S is small. As shown in Fig. 11 (b), when a PR / A PE is small, S is small. I PR is small and S is small.
도 10(a) 및 도 11(a)와, 도 10(b) 및 도 11(b)를 비교하면, 예를 들면LPE=40㎚, IPR=3㎚, aPR/APE=0.4에서는, 실시예 1에서는 비교예 1에 비하여 S는 50 정도로 MOSFET의 실온에 있어서의 한계값(60mV/decade)을 밑돈다. 한편, 비교예 1의 S는 100 정도로 실시예 1의 2배 정도 크다. 이와 같이, 실시예 1에서는 비교예 1에 비하여 서브스레숄드 특성을 급준하게 할 수 있다. 따라서, 오프시의 리크 전류를 억제할 수 있다.Figure 10 (a) and Figure 11 (a) and FIG. 10 (b), and when compared to 11 (b), for example, L PE = 40㎚, I PR = 3㎚, a PR / A PE = 0.4 In Example 1, S is about 50 as compared with Comparative Example 1, which is lower than the threshold value (60 mV / decade) of the MOSFET at room temperature. On the other hand, S of Comparative Example 1 is about 100, which is twice as large as that of Example 1. As described above, in
α 및 S의 관점으로부터 aPR/APE는 작은 것이 바람직하다. 예를 들면, aPR/APE는 1보다 작은 것이 바람직하고, 0.6 정도 이하가 보다 바람직하다.From the viewpoint of? and S, it is preferable that a PR / A PE is small. For example, a PR / A PE is preferably smaller than 1, and more preferably about 0.6 or smaller.
이어서, 5단계의 인버터로 구성한 링 오실레이터의 발진 주파수를 계산했다. 인버터는 p채널 PET와 n채널 PET를 사용한 상보형 인버터로 했다. 도 12(a) 내지 도 12(c)는 링 오실레이터의 시간에 대한 출력 전압을 나타내는 도면이다. 도 12(a)는 실시예 1의 PET의 계산 결과를 나타낸다. 계산한 PET에서는 IPR=3㎚, LPE=10㎚, hPR=6㎚, HPE=30㎚ 및 aPR/APE=0.2이다. 전원전압 VDD=0.2V이다. 압전체(12)의 전압인가에 응답하는 메카니컬한 공진 현상은 링 오실레이터의 발진 주파수에 영향을 미치기 때문에 이 효과를 도입하여 계산을 행하였다. 도 12(b) 및 도 12(c)는 16㎚ 노드의 FinFET를 사용했을 경우의 계산 결과이며, 각각 전원전압 VDD=0.5V 및 0.2V이다.Next, the oscillation frequency of the ring oscillator constituted by the inverter of five stages was calculated. The inverter was a complementary inverter using p-channel PET and n-channel PET. Figs. 12 (a) to 12 (c) are diagrams showing the output voltage versus time of the ring oscillator. Fig. Fig. 12 (a) shows the calculation results of the PET of Example 1. Fig. In the calculated PET, I PR = 3 nm, L PE = 10 nm, h PR = 6 nm, H PE = 30 nm and a PR / A PE = 0.2. The power supply voltage V DD is 0.2V. Since the mechanical resonance phenomenon in response to the voltage application of the
도 12(a)에 나타내는 바와 같이, 실시예 1에서는 VDD=0.2V이여도 발진 주파수는 약 60㎓이다. 도 12(b)에 나타내는 바와 같이, FinFET에서는 VDD=0.5V에서 발진 주파수는 약 25㎓이다. 도 12(c)에 나타내는 바와 같이, VDD=0.2V에서는 발진 주파수는 약 1.3㎓이다. 이와 같이, 현재 가장 동작 속도가 빠른 트랜지스터의 하나인 FinFET를 이용하여도 VDD를 작게 하면 동작 속도가 급격하게 열화된다. 한편, 실시예 1에서는 구동전류능력이 크기 때문에 VDD를 작게 해도 발진 주파수는 높다. 구조의 최적화를 행함으로써 VDD=0.2V에서 100㎓ 정도의 발진 주파수를 실현할 수 있는 가능성이 있다.As shown in Fig. 12 (a), the oscillation frequency is about 60 GHz even when V DD = 0.2 V in the first embodiment. As shown in Fig. 12 (b), the FinFET has an oscillation frequency of about 25 GHz at V DD = 0.5V. As shown in Fig. 12 (c), at V DD = 0.2 V, the oscillation frequency is about 1.3 GHz. As described above, even if a FinFET, which is one of the fastest transistors currently operating, is used, the operation speed is drastically degraded if V DD is reduced. On the other hand, in
실시예 1에 의하면, 압전체(12)가 피에조 저항체(10)를 둘러싸도록 설치되어 있다. 게이트(18)에 전압을 인가함으로써 압전체(12)가 피에조 저항체(10)에 압력을 가한다. 이것에 의해, 비교예 1과 비교하여 지지 구조체를 사용하지 않아도 좋다. 또한, 도 7(a) 내지 도 8(b)과 같이, 비교예 1에 비하여 고효율로 피에조 저항체(10)에 압력을 가할 수 있다. 따라서, 전류구동능력을 높게 할 수 있다. 또한, 도 10(a) 내지 도 11(b)과 같이, 비교예 1에 비하여 서브스레숄드 특성을 향상할 수 있다. 피에조 저항체(10)는 압력에 의해 금속상으로 되기 때문에 온 저항이 매우 낮다. 이 때문에, 도 12(a)와 같이, 낮은 전원전압(예를 들면, 0.2V 이하)에 있어서도 고속 동작이 가능해진다.According to the first embodiment, the
또한, 비교예 1에서는 도 1과 같이, 게이트(18), 소스(14) 및 드레인(16)이 이 순서로 적층되어 있기 때문에, 소스(14)로부터 드레인(16) 방향으로 캐리어를 흐르게 할 경우와, 드레인(16)으로부터 소스(14) 방향으로 캐리어를 흐르게 할 경우가 등가가 아니게 된다(전류가 다르다). 이와 같이, 소스(14)와 드레인(16)이 게이트(18)에 대하여 대칭인 구조로 되어 있지 않다. 이 때문에, 소스(14)와 드레인(16)을 바꾸어 넣어 같은 특성을 얻으려고 하면, 게이트(18)에 인가하는 전압을 바꾸게 된다. 이 때문에, 소스(14)와 드레인(16)을 바꾸어 넣으면 특성이 크게 바뀌어 버린다.1, the
한편, 실시예 1에서는 채널 중심에 대한 소스(14)와 드레인(16) 방향이 대칭성이 되도록 디바이스 구조를 구성할 수 있다. 또한, 게이트(18)에 대하여 소스(14)와 드레인(16)이 등가인 구조이기 때문에, 소스(14)와 드레인(16)을 바꾸어 넣어도 게이트(18)에 같은 전압을 인가하면 같은 특성을 얻을 수 있다. 이와 같이, 소스(14)와 드레인(16)을 바꾸어 넣어도 특성은 거의 변화되지 않는다.In the first embodiment, the device structure can be configured such that the direction of the
실시예 2Example 2
실시예 2는 실시예 1의 PET를 파워 스위치로 한 파워게이팅 회로의 예이다. 도 13(a) 및 도 13(b)는 실시예 2에 의한 전자회로의 블럭도이다. 도 13(a)에 나타내는 바와 같이, 파워게이팅 회로(100a)는 파워 스위치로서 p채널 PET(30b) 및 파워 도메인 회로(32)를 갖고 있다. 파워 도메인 회로(32)는 2개의 전원인 그라운드(GND)와 전원 VDD의 사이에 설치되어 있다. 파워 도메인 회로(32)에는 그라운드(GND) 및 전원 VDD로부터 전력이 공급된다. 회로(32)와 전원 VDD의 사이에 p채널 PET(30b)가 설치되어 있다. PET(30b)의 소스가 전원 VDD에, 드레인이 회로(32)에 접속되어 있다. 게이트에는 회로(32)에 공급하는 전력을 제어하는 신호가 입력된다. PET(30b)와 회로(32) 사이의 노드가 가상 VDD가 된다. 회로(32)에는 가상 VDD와 그라운드(GND)의 전위차의 전압이 인가된다.
도 13(b)에 나타내는 바와 같이, 파워게이팅 회로(100b)는 파워 스위치로서 n채널 PET(30a) 및 파워 도메인 회로(32)를 갖고 있다. 그라운드(GND)와 회로(32)의 사이에 n채널 PET(30a)가 설치되어 있다. PET(30a)의 소스가 그라운드(GND)에, 드레인이 회로(32)에 접속되어 있다. 게이트에는 회로(32)에 공급하는 전력을 제어하는 신호가 입력된다. PET(30a)와 회로(32) 사이의 노드가 가상 GND가 된다. 회로(32)에는 전원 VDD와 가상 GND의 전위차의 전압이 인가된다. PET(30a 및 30b)는 실시예 1에 의한 트랜지스터이다.As shown in Fig. 13 (b), the
실시예 2에 의하면, 회로(32)가 전원 VDD(제 1 전원)와 그라운드(GND)(제 2 전원)의 사이에 접속되어 있다. 파워 스위치인 PET(30a) 또는 PET(30b)의 소스는 전원 VDD 또는 그라운드(GND)에 접속되고, 드레인이 회로(32)에 접속된다. 게이트에 회로(32)에 공급되는 전력을 차단하는 신호가 입력된다. 이 신호는 PET(30a) 또는 PET(30b)를 온 또는 오프시키는 신호이다.According to the second embodiment, the
이와 같이, 실시예 2의 파워게이팅 회로에서는 PET(30a) 또는 PET(30b)를 파워 도메인 회로의 파워 스위치에 사용한다. PET(30a) 또는 PET(30b)의 온 저항은 금속적으로 낮다. 이것에 의해, 파워 스위치에 있어서의 전압 강하를 매우 낮게 억제할 수 있다. 따라서, 파워 도메인 회로(32)에 인가할 수 있는 전압(도 13(a)에서는 가상 전원 VDD와 그라운드(GND)의 전위차, 도 13(b)에서는 전원 VDD와 가상 그라운드(GND)의 전위차)를 용이하게 높게 할 수 있다. 따라서, 파워 도메인 회로(32)의 회로성능을 높게 유지할 수 있다. 따라서, 일반적인 MOSFET를 파워 스위치에 사용한 것과 비교해서 높은 회로성능이 얻어진다. 또한, PET(30a) 또는 PET(30b)의 급준한 서브스레숄드 특성에 의한 차단 특성과 큰 온/오프비에 의해, 전원차단시에는 전압강하를 파워 스위치에 집중시킬 수 있다. 이 때문에, 전원차단시에 있어서의 파워 도메인 회로(32)의 리크를 작게 억제할 수 있다. 또한, PET(30a) 또는 PET(30b)를 다층 배선층 중에 만들어 넣으면, 파워 스위치에 의한 면적 오버헤드를 거의 없게 할 수 있다. 파워 도메인 회로(32)는 통상의 CMOS 또는 PET(상보형의 PET를 포함함)로 구성할 수 있다.Thus, in the power gating circuit of the second embodiment, the
실시예 3Example 3
실시예 3은 불휘발성 쌍안정 회로의 파워 스위치에 실시예 1에 의한 PET를 사용하는 예이다. 도 14는 실시예 3에 의한 전자회로의 회로도이다. 도 14에 나타내는 바와 같이, 메모리셀(101)은 쌍안정 회로(40) 및 불휘발성 소자(MTJ1 및 MTJ2)(불휘발성 메모리 소자)를 갖고 있다. 쌍안정 회로(40)는 데이터를 휘발적으로 기억한다. 불휘발성 소자(MTJ1 및 MTJ2)는 쌍안정 회로(40)에 기억된 데이터를 불휘발적으로 스토어하고, 불휘발적으로 스토어된 데이터를 쌍안정 회로(40)에 리스토어한다. 불휘발성 소자(MTJ1 및 MTJ2)는, 예를 들면 강자성 터널 접합 소자이다.Example 3 is an example in which PET according to Example 1 is used in a power switch of a nonvolatile bistable circuit. 14 is a circuit diagram of an electronic circuit according to the third embodiment. As shown in Fig. 14, the
쌍안정 회로(40)는 인버터(42 및 44)를 갖고 있다. 인버터(42)는 p채널 FET(m1) 및 n채널 FET(m2)를 갖고 있다. 인버터(44)는 p채널 FET(m3) 및 n채널 FET(m4)를 갖고 있다. 인버터(42)와 인버터(44)는 링 형상으로 접속되어 있다. 쌍안정 회로(40)는 전원 VDD와 그라운드의 사이에 접속되어 있다. FET(m1 및 m3)의 소스에 전원 VDD가, FET(m 2 및 m4)의 소스에 그라운드가 접속되어 있다. 파워 스위치인(p채널의) PET(30)는 FET(m1 및 m3)의 소스와 전원 VDD의 사이에 직렬로 접속되어 있다. PET(30)를 오프함으로써 쌍안정 회로(40)에 공급되는 전력을 차단할 수 있다.The
인버터(42)와 인버터(44)가 접속된 노드가 각각 노드 Q 및 QB이다. 노드(Q)와 노드(QB)는 서로 상보 노드이다. 노드(Q 및 QB)는 각각 FET(m5) 및 FET(m6)를 통해서 입출력선 D 및 DB에 접속되어 있다. FET(m5) 및 FET(m6)의 게이트는 워드선(WL)에 접속되어 있다. 쌍안정 회로(40)에의 데이터의 기입 및 판독은 종래의 SRAM과 같이 행하여진다.The nodes to which the
노드(Q)와 제어선(CTRL)의 사이의 경로(66)에 있어서, (n채널의)FET(m7)와 불휘발성 소자(MTJ1)가 직렬로 접속되고, 노드(QB)와 제어선(CTRL)의 사이의 경로(66)에 있어서, (n채널의)FET(m8)와 불휘발성 소자(MTJ2)가 직렬로 접속되어 있다. FET(m7 및 m8)의 소스 및 드레인의 한쪽은 노드(Q 및 QB)에, 소스 및 드레인의 다른쪽은 불휘발성 소자(MTJ1 및 MTJ2)에 각각 접속되어 있다. FET(m7 및 m8)의 게이트는 스위치선(SR)에 접속되어 있다. 또한, FET(m7 및 m8)는 각각, 불휘발성 소자(MTJ1 및 MTJ2)와 제어선(CTRL)의 사이에 접속되어 있어도 된다.The FET m7 and the nonvolatile element MTJ1 are connected in series in the
쌍안정 회로(40)로부터 불휘발성 소자(MTJ1 및 MTJ2)로의 데이터의 스토어 동작은 FET(m7 및 m8)를 온한 상태에서 제어선(CTRL)을 하이레벨과 로우레벨로 함으로써 행하여진다. 불휘발성 소자(MTJ1 및 MTJ2)에 데이터가 스토어된 후, PET(30)를 오프한다. 이것에 의해, 쌍안정 회로(40)에 전력이 공급되지 않아 소비전력을 삭감할 수 있다.The storing operation of data from the
불휘발성 소자(MTJ1 및 MTJ2)로부터 쌍안정 회로(40)로의 데이터의 리스토어 동작은 제어선(CTRL)을 로우레벨로 한 상태에서 PET(30)를 온하고, 쌍안정 회로(40)에 전력이 공급됨으로써 행하여진다.The restoring operation of the data from the nonvolatile elements MTJ1 and MTJ2 to the
실시예 3에 있어서, 불휘발성 소자(MTJ1 및 MTJ2)는 강자성 터널 접합 소자 이외에도 거대 자기저항(GMR) 소자, ReRAM(Resistance Random Access Memory)에 사용되는 가변 저항 소자, 또는 PRAM(Phase change RAM)에 사용되는 상변화 소자를 사용할 수 있다. 또한, 파워 스위치인 PET(30)는 실시예 2의 도 13(b)와 같이 , 그라운드와 쌍안정 회로(40)의 사이에 설치되어 있어도 된다. 이 경우, PET는 n채널PET이며, FET(m7 및 m8)는 p채널이다. 또한, 불휘발성 소자는 1개이며, 쌍안정 회로(40)의 1개의 노드와 제어선의 사이에 불휘발성 소자가 접속되어 있어도 된다.In the third embodiment, the nonvolatile elements MTJ1 and MTJ2 may be replaced with a ferromagnetic tunnel junction element, a variable resistance element used in a giant magnetoresistive (GMR) element, a ReRAM (Resistance Random Access Memory), or a PRAM The phase change element used can be used. The
실시예 3의 변형예로서 마스터 슬레이브형 플립플롭 회로의 예를 설명한다. 도 15는 실시예 3의 변형예에 의한 전자회로의 회로도이다. 도 15에 나타내는 바와 같이, 기억회로(102)는 D 래치 회로(102a)와 D 래치 회로(102b)를 구비하고 있다. D 래치 회로(102a)는 쌍안정 회로(40), 패스 게이트(72, 73), 불휘발성 소자(MTJ1, MTJ2), FET(m7 내지 m9)를 구비하고 있다. 쌍안정 회로(40)의 링 내에 패스 게이트(73)와 FET(m9)가 병렬로 접속되어 있다. 쌍안정 회로(40) 내의 노드(Q)와 제어선(CTRL)의 사이에 (n채널의)FET(m7)와 불휘발성 소자(MTJ1)가 직렬로 접속되어 있다. 쌍안정 회로(40) 내의 노드(QB)와 제어선(CTRL)의 사이에 (n채널의)FET(m8)와 불휘발성 소자(MTJ2)가 직렬로 접속되어 있다. 노드(Q)는 인버터(61)를 통해서 QB 신호가 된다. 노드(QB)는 인버터(62)를 통해 Q 신호가 된다. 노드(Q)는 패스 게이트(72)를 통해 D 래치 회로(102b)에 접속된다.An example of a master-slave flip-flop circuit will be described as a modification of the third embodiment. 15 is a circuit diagram of an electronic circuit according to a modification of the third embodiment. As shown in Fig. 15, the
D 래치 회로(102b)는 쌍안정 회로(50), 패스 게이트(70 및 71)를 구비하고 있다. 쌍안정 회로(50)는 인버터(52 및 54)가 링 형상으로 접속되어 있다. 인버터(52)는 p채널 FET(m11) 및n채널 FET(m12)를 갖고 있다. 인버터(54)는 p채널 FET(m13) 및 n채널 FET(m14)를 갖고 있다. 쌍안정 회로(50)의 링 내에 패스 게이트(71)가 접속되어 있다. 쌍안정 회로(50)에는 인버터(60) 및 패스 게이트(70)를 통해서 데이터(D)가 입력된다. 클럭 신호(CLK)는 인버터(63)를 통해 클럭(CB)으로 되고, 또한 인버터(64)를 통해 클럭(C)으로 된다. 클럭(CB 및 C)은 각 패스 게이트(70 내지 73)에 입력된다. 쌍안정 회로(40 및 50)와 전원 VDD의 사이에 파워 스위치로서 (p채널의)PET(30)가 접속된다.The
실시예 3의 변형예에 있어서, 불휘발성 소자(MTJ1 및 MTJ2)는 강자성 터널 접합 소자 이외에도 GMR 소자, ReRAM에 사용되는 가변 저항 소자, 또는 PRAM에 사용되는 상변화 소자를 사용할 수 있다. 또한, 파워 스위치인 PET(30)는 그라운드와 쌍안정 회로(40)의 사이에 설치되어 있어도 된다. 이 경우, PET는 n채널 PET이며, FET(m7 및 m8)는 p채널이다. 또한, 불휘발성 소자는 1개이며, 쌍안정 회로(40)의 1개의 노드와 제어선의 사이에 불휘발성 소자가 접속되어 있어도 된다.In the modification of the third embodiment, the nonvolatile elements MTJ1 and MTJ2 may use a GMR element, a variable resistance element used for the ReRAM, or a phase change element used for the PRAM, in addition to the ferromagnetic tunnel junction element. The
도 14 또는 도 15의 PET(30)에 상당하는 파워 스위치로서 MOSFET를 사용했을 경우의 문제에 대하여 설명한다. 스토어 동작시에는 불휘발성 소자(MTJ1 또는 MTJ2)에 전류가 흐르기 때문에 전원 VDD와 그라운드 사이의 임피던스가 크게 저하한다. 이 때문에, 파워 스위치로서 MOSFET를 사용하면 MOSFET에서의 전압강하가 커진다. 이것에 의해, 쌍안정 회로(40), 불휘발성 소자(MTJ1 및 MTJ2)에 충분한 전압이 인가되지 않게 된다. 따라서, 안정 동작이 어렵게 된다. 따라서, 통상의 MOSFET를 파워 스위치에 사용하는 경우에서는 메모리셀에 충분하게 전압을 인가하기 위해서 채널 폭이 매우 큰(또는 복수의) MOSFET를 사용하게 된다. 따라서, 셀 면적의 증대, 레이아웃의 복잡화, 및 성능 열화(실제로는 셀 면적의 제약으로부터 충분한 크기의 파워 스위치를 사용할 수 없기 때문에) 등의 문제를 발생한다.A problem when a MOSFET is used as a power switch corresponding to the
한편, 실시예 3 및 그 변형예에서는 실시예 1에 의한 PET(30)를 파워 스위치에 사용하고 있다. 이것에 의해, PET(30)의 전류구동능력은 MOSFET(FinFET 등의 고성능 트랜지스터를 포함함)과 비교해서 매우 커서, 충분하게 작은 PET를 사용해도 파워 스위치에 의한 전압강하를 작게 억제하는 것이 용이하게 된다. 따라서, 파워 스위치를 도입해도 간단하게 메모리셀의 안정 동작을 실현할 수 있다. 따라서, PET(30)를 파워 스위치에 사용하면, 셀 면적의 증대, 레이아웃의 복잡화 및 성능 열화를 발생시키지 않아(PET는 다층 배선층 중에 형성하는 것도 가능함), 불휘발성 쌍안정 회로의 파워게이팅을 실현할 수 있다.On the other hand, in the third embodiment and its modifications, the
실시예 3 및 그 변형예와 같이, 쌍안정 회로(40)의 데이터를 불휘발적으로 스토어하는 불휘발성 소자를 갖는 불휘발성 쌍안정 회로에 있어서, 쌍안정 회로(40)에 전력을 공급하는 파워 스위치를 PET(30)라고 한다. 이것에 의해, 셀 면적의 증대, 레이아웃의 복잡화 및 성능 열화를 발생시키지 않아 불휘발성 쌍안정 회로의 파워게이팅을 실현할 수 있다. 또한, PET(30)가 오프되었을 때의 리크 전류가 작기 때문에 쌍안정 회로(40)를 차단했을 때의 대기 소비전력을 억제할 수 있다.A nonvolatile bistable circuit having a nonvolatile element for nonvolatilely storing data of the
실시예 3 및 그 변형예에 있어서, FET(m1 내지 m14)는 MOSFET이어도 좋고, PET이어도 좋다. 경로(66)에는 스토어 동작시에 큰 전류가 사용된다. 따라서, FET(m7 및 m8)로서 PET를 사용함으로써 저전압에서 스토어 동작이 가능해진다. FET(m7 및 m8)를 PET로 할 경우, 후술하는 실시예 4의 도 16(b) 구조를 채용할 수 있다. 또한, 1개 또는 복수의 PET로 복수의 불휘발성 메모리의 파워 스위치를 구성할 수 있다. 예를 들면, 불휘발성 메모리셀의 수보다 적은 수의 PET를 이용하여 파워 스위치를 구성할 수 있다.In the third embodiment and its modifications, the FETs m1 to m14 may be a MOSFET or a PET. In the
실시예 4Example 4
실시예 4는 불휘발성 메모리셀에 PET를 사용하는 예이다. 도 16(a)는 실시예 4에 의한 불휘발성 메모리셀의 회로도, 도 16(b)는 단면 사시도이다. 도 16(a)에 나타내는 바와 같이, 불휘발성 메모리셀(104)은 불휘발성 소자(80)와 PET(90)를 구비하고 있다. 소스선(SL)과 비트선(BL)의 사이에 불휘발성 소자(80)와 PET(90)의 소스 및 드레인이 직렬로 접속되어 있다. PET(90)의 게이트는 워드선(WL)에 접속되어 있다. 불휘발성 소자(80)는 강자성 금속으로 이루어지는 프리층(82)과 핀층(86)의 사이에 비자성층(84)이 형성되어 있다. 강자성 터널 접합 소자에서는 비자성층(84)은 터널 절연막이며, 거대 자기저항(GMR) 소자에서는 비자성층(84)은 금속층이다. 프리층(82)과 핀층(86)은 반대이어도 좋다.
도 16(b)에 나타내는 바와 같이, PET(90)의 드레인(16)에 금속층(81), 프리층(82), 비자성층(84), 핀층(86) 및 금속층(87)이 순차적으로 적층되어 있다. 이와 같이, PET(90)에 불휘발성 소자(80)를 적층할 수 있다.A
스핀전달토크 자화 반전형의 강자성 터널 접합 소자와 같이 전류구동형의 불휘발성 소자(80)는 데이터 갱신시에 전류가 흐른다. 그래서, 실시예 4와 같이 PET(90)와 불휘발성 소자(80)로 불휘발성 메모리셀(104)을 구성한다. 이것에 의해, 예를 들면 0.5V 이하와 같은 저전압에서도 동작 가능한 불휘발성 메모리셀을 실현할 수있다. 이것은 PET(90)의 온 저항이 낮아, 저전압 구동에서도 데이터 갱신에 필요한 충분한 전류를 구동할 수 있기 때문이다. 보다 저항이 낮은 강자성 금속/비자성 금속/강자성 금속 구조를 갖는 GMR 소자를 사용하면, 보다 낮은 전압에서의 구동 가능한 불휘발성 메모리셀을 실현할 수 있다. 불휘발성 소자(80)는 강자성 터널 접합 소자 및 거대 자기저항(GMR) 소자 이외에도, ReRAM에 사용되는 가변 저항 소자, 또는 PRAM에 사용되는 상변화 소자를 사용할 수 있다.Spin Transfer Torque Current In the
실시예 5Example 5
실시예 5는 논리회로에 PET를 사용하는 예이다. 도 17(a) 내지 도 18(f)는 실시예 5에 의한 전자회로를 나타내는 회로도이다. 도 17(a) 및 도 17(b)에 나타내는 바와 같이, 신호 A의 반전(NOT) 신호 Y를 출력하는 인버터 회로(91)는 1개의 n채널 PET(97a)와 1개의 p채널 PET(97b)로 구성할 수 있다. 도 17(c) 및 도 17(d)에 나타내는 바와 같이, 신호 A와 B의 곱의 부정(NAND) 신호 Y를 출력하는 NAND 회로(92)는 2개의 n채널 PET(97a)와 2개의 p채널 PET(97b)로 구성할 수 있다. 도 17(e) 및 도 17(f)에 나타내는 바와 같이, 신호 A와 B의 합의 부정(NOR) 신호 Y를 출력하는 NOR 회로(93)는 2개의 n채널 PET(97a)와 2개의 p채널 PET(97b)로 구성할 수 있다. The fifth embodiment is an example in which PET is used for the logic circuit. 17 (a) to 18 (f) are circuit diagrams showing an electronic circuit according to a fifth embodiment. As shown in Figs. 17A and 17B, the
도 18 (a) 및 도 18(b)에 나타내는 바와 같이, 신호 A와 B의 배타적 논리합(XOR) 신호 Y를 출력하는 XOR 회로(94)는 1개의 n채널 PET(97a), 1개의 p채널 PET(97b), 인버터 회로(91) 및 패스 게이트(98)로 구성할 수 있다. 패스 게이트(98)는 n채널 PET(97a)와 p채널 PET(97b)로 구성할 수 있다. 도 18(c) 및 도 18(d)에 나타내는 바와 같이, 신호 A를 신호 B에 동기해서 신호 Y로서 출력하는 회로(95)는 인버터 회로(91)와 패스 게이트(98)로 구성할 수 있다. 도 18(e) 및 도 18(f)에 나타내는 바와 같이, 신호 A와 B를 신호 S에 동기해서 순차적으로 신호 Y로서 출력하는 회로(96)는, 2개의 인버터 회로(91)와 2개의 패스 게이트(98)로 구성할 수 있다.As shown in Figs. 18A and 18B, the
실시예 5에 의한 논리회로에서는 서로 상보형인 PET(97a)(제 1 트랜지스터) 및 PET(97b)(제 2 트랜지스터)에 있어서의, 압전체(12)의 유전분극 방향(22)은 서로 역방향이고, 소스(14)를 기준으로 해서 게이트(18)에 PET(97a)에서는 정의 전압, PET(97b)에서는 부의 전압을 가했을 경우에, 압전체(12)가 피에조 저항체(10)에 응력을 인가하는 방향이다. 이러한 PET(97a 및 97b)를 사용함으로써 CMOS 논리회로와 같은 논리가 같은 회로구성으로 실현할 수 있다. 예를 들면, NOT 회로, AND 회로, NAND 회로, OR 회로, NOR 회로, XOR 회로, XNOR 회로, 다입력의 이것들의 회로(예를 들면, 3입력 NAND 또는 3입력 NOR 등), 이것들의 복합 회로(예를 들면, AND-OR-INV(AOI) 또는 OR-AND-INV(OAI) 등), 각종 래치 회로, 각종 플립플롭 회로(예를 들면, DFF, RSFF, JKFF 또는 TFF 등), 또는 멀티플렉서(MUX) 등의 회로를 구성할 수 있다.In the logic circuit according to the fifth embodiment, the
또한, PET(97a)와 PET(97b)의 사이즈가 같아서 같은 전류를 확보할 수 있게 구성할 수 있다. 따라서, CMOS 논리회로와 같이 n채널 FET와 p채널 FET에서 사이즈를 바꾸지 않아도 좋다. 그 때문에 논리회로 등을 장착할 경우의 배선이나 레이아웃이 용이하게 되고, 회로의 점유면적을 감소시키거나, 신호전파 지연을 감소시키거나와 같은 바람직한 효과를 기대할 수 있다.In addition, the
또한, 비교예 1에서는 도 1과 같이, 소스(14)로부터 드레인(16)으로 캐리어를 흐르게 했을 경우와 드레인(16)으로부터 소스(14)로 캐리어를 흐르게 했을 경우는 등가로는 되지 않는다(전류가 다르다). 한편, 실시예 1에서는 소스(14)로부터 드레인(16)으로의 방향과 드레인(16)으로부터 소스(14)로의 방향이 등가이다. 이것에 의해, PET(97a 및 97b)를 사용해 패스 게이트(98)를 구성할 수 있다. 1, it is not equivalent when a carrier flows from the
실시예 6Example 6
실시예 6은 PET의 다른 예이다. 도 19(a) 내지 도 19(c)는 실시예 6 및 그 변형예에 의한 트랜지스터의 단면도이다. 도 19(a)에 나타내는 바와 같이, 실시예 6에 의한 PET에 있어서 피에조 저항체(10)의 -y 방향의 면에 소스(14)가, +y 방향의 면에 드레인(16)이 설치되어 있다. 압전체(12)는 피에조 저항체(10)의 -x 방향의 면에 설치되어 있다. 압전체(12)의 -x 방향의 면에 게이트(18)가 설치되어 있다. 지지 구조체(20)가 압전체(12) 및 피에조 저항체(10)를 지지한다. 또한, 소스(14)와 피에조 저항체(10)의 사이, 및 드레인(16)과 피에조 저항체(10)의 사이에, 실시예 1에서 나타낸 영율이 작은 금속 콘택트층이 형성되어 있어도 된다. 또한, 소스(14) 및 드레인(16)의 압전체(12)와 반대의 면(+x 방향의 면)이 지지 구조체(20)에 접하고 있어도 된다.Example 6 is another example of PET. Figs. 19 (a) to 19 (c) are cross-sectional views of a transistor according to a sixth embodiment and modifications thereof. As shown in Fig. 19 (a), in the PET according to the sixth embodiment, the
캐리어는 피에조 저항체(10) 내를 y 방향으로 전도한다. 압전체(12)는 피에조 저항체(10)에 x 방향으로부터 압력을 가한다. 소스(14)와 게이트(18) 사이의 전압, 드레인(16)과 게이트(18) 사이의 전압의 관계는 소스(14)와 드레인(16)를 바꾸어 넣어도 동일하게 유지된다. 이 때문에, 소스(14)로부터 드레인(16)으로 캐리어를 흐르게 했을 경우와 드레인(16)으로부터 소스(14)로 캐리어를 흐르게 했을 경우에서는 전류를 거의 같게 할 수 있다. 이것에 의해, 소스(14)와 드레인(16)을 바꾸어 넣었을 경우에 PET의 특성을 등가로 할 수 있다. 따라서, 예를 들면 패스 게이트 등에 실시예 6에 의한 PET를 사용할 수 있다.The carrier conducts in the y direction within the
도 19(b)에 나타내는 바와 같이, 실시예 6의 변형예 1에 의한 PET에서는 소스(14) 및 드레인(16)과 지지 구조체(20)의 사이에 지지체(21)가 설치되어 있다. 지지체(21)는, 예를 들면 폴리이미드와 같은 수지이며, 영율이 압전체(12) 및 피에조 저항체(10)보다 작다.As shown in Fig. 19 (b), in the PET according to the first modification of the sixth embodiment, a
도 19(a)의 실시예 6에서는 소스(14) 및 드레인(16)과, 지지 구조체(20)의 사이에 공극이 형성된다. 이것에 의해, 소스(14)와 드레인(16)의 형성이 어렵다. 또한, 소스(14) 및 드레인(16)이 구조적으로 불안정하게 된다.In the sixth embodiment shown in Fig. 19A, a gap is formed between the
도 19(b)의 실시예 6의 변형예 1의 PET에 의하면, 지지체(21)가 소스(14) 및 드레인(16)을 지지하기 때문에 소스(14) 및 드레인(16)이 안정되게 된다. 지지체(21)의 영율이 충분히 작으면 압전체(12)의 압력은 거의 피에조 저항체(10)에 가해진다. 또한, 지지체(21)를 다공성 실리카 등의 다공질 재료로 형성하고, 소스(14) 및 드레인(16)을 형성한 후에 지지체(21)를 찌부러 뜨려서 공극으로 해도 된다.19B, the
도 19(c)에 나타내는 바와 같이, 실시예 6의 변형예 2에 의한 PET에서는, 소스(14) 및 드레인(16)은 피에조 저항체(10)의 y 방향 및 -y 방향의 면으로부터 지지 구조체(20)에 걸쳐서 연장되어 있다. 또한, 소스(14) 및 드레인(16)은 지지 구조체(20)에 지지되도록 인출된다. 이것에 의해, 소스(14) 및 드레인(16)이 안정되게 된다. 실시예 6 및 그 변형예를 실시예 2 내지 실시예 5의 전자회로에 사용할 수도 있다. 소스(14)와 피에조 저항체(10)의 사이, 및 드레인(16)과 피에조 저항체(10)의 사이에 금속 콘택트층이 형성되어 있어도, 금속 콘택트층의 영율이 작으면 압전체(12)로부터 피에조 저항체(10)로의 압력인가의 방해로는 되지 않는다.19 (c), in the PET according to the second modification of the sixth embodiment, the
비교예 1에서는 소스(14) 및 드레인(16)이 이 순서로 적층되어 있기 때문에, 소스(14)를 드레인(16)으로 하면 게이트 바이어스가 바뀐다. 이 때문에, 소스(14)와 드레인(16)을 바꾸어 넣으면 PET의 특성이 바뀌어 버린다.In the comparative example 1, since the
실시예 1, 실시예 6 및 그 변형예에 의하면, 소스(14)와 게이트(18)의 사이, 및 드레인(16)과 게이트(18)의 사이의 전압은 소스(14)와 드레인(16)을 바꾸어 넣어도 같다. 또한, 소스(14)와 드레인(16)의 형상을 거의 등가로 할 수 있다. 이 때문에, 소스(14)와 드레인(16)을 바꾸어 넣어도 특성은 변화되지 않는다. 이 때문에, 소스(14)와 드레인(16)을 피에조 저항체(10)에 있어서의 소스(14)와 드레인(16)의 중간의 면에 대하여 거의 대칭인 구조로 하는 것이 바람직하고, 또한 피에조 저항체(10), 압전체(12) 및 게이트(18)를 각각 피에조 저항체(10)에 있어서의 소스(14)와 드레인(16)의 중간의 면에 대하여 거의 대칭인 구조로 하는 것이 바람직하다. 또한, α 및 S를 향상시키기 위해서 면적 aPR를 APE보다 작게 하는 등의 이유에 의해, 면적 aPR과 APE를 다르게 해도 이상의 특징은 유지된다. 따라서, 소스(14)와 드레인(16)을 바꾸어 넣어도 PET의 특성은 거의 변화되지 않는다.The voltage between the
실시예 7Example 7
실시예 7은 PET의 다른 예이다. 도 20(a)는 실시예 7에 의한 트랜지스터의 사시 단면도, 도 20(b) 및 도 20(c)는 단면도이다. 피에조 저항체(10, 14 및 16) 내의 파선은 상부(10a, 14a 및 16a)와, 지지부(10b, 14b, 및 16b)를 가상적으로 나누는 선이다. 도 20(a) 내지 도 20(c)에 나타내는 바와 같이, 소스(14)로부터 드레인(16) 방향을 Y 방향, 기판(25)의 면방향에서 Y 방향에 직교하는 방향을 X 방향, 기판(25)의 법선방향을 Z 방향이라고 한다. Example 7 is another example of PET. FIG. 20A is a perspective sectional view of a transistor according to a seventh embodiment, and FIGS. 20B and 20C are cross-sectional views. The broken lines in the
피에조 저항체(10), 소스(14) 및 드레인(16)은 기판(25) 상에 형성되어 있다. 피에조 저항체(10)는 상부(10a)와 지지부(10b)를 구비한다. 상부(10a)는 반원통 형상이다. 피에조 저항체(10)의 Y 방향의 양단에는 소스(14)와 드레인(16)이 설치되어 있다. 소스(14)는 피에조 저항체(10)의 상부(10a)에 상당하는 상부(14a)와, 피에조 저항체(10)의 지지부(10b)에 상당하는 지지부(16a)를 구비한다. 드레인(16)은 피에조 저항체(10)의 상부(10a)에 상당하는 상부(16a)와, 피에조 저항체(10)의 지지부(10b)에 상당하는 지지부(16b)를 구비한다. 지지부(10b, 14b 및 16b)는 각각 상부(10a, 14a 및 16a)를 지지한다. 캐리어는 피에조 저항체(10) 내를 Y 방향으로 전도한다. 소스(14)와 피에조 저항체(10)의 사이에는 금속 콘택트층(15)이 형성되고, 드레인(16)과 피에조 저항체(10)의 사이에는 금속 콘택트층(17)이 형성되어 있다. 압전체(12)가 피에조 저항체(10)를 둘러싸도록 설치되어 있다. 압전체(12)의 주위에 게이트(18)가 설치되어 있다. The
실시예 7의 제1형 트랜지스터에 있어서의 압전체(12)의 분극 방향(22)은 게이트(18)로부터 피에조 저항체(10)의 방향이다. 제2형 트랜지스터에 있어서의 압전체(12)의 분극 방향(22)은 도 20(a) 내지 도 20(c)의 화살표(22)와 역방향이며, 피에조 저항체(10)로부터 게이트(18)의 방향이다. 지지부(10b)를 덮는 압전체(12)의 분극 방향은 도시를 생략하고 있다. 그 밖의 구성은 실시예 1과 같으며 설명을 생략한다.The
도 21(a)는 실시예 7의 변형예 1에 의한 트랜지스터의 사시 단면도, 도 21(b)는 단면도이다. 도 21(a) 및 도 21(b)에 나타내는 바와 같이, 금속 콘택트층(15 및 17)은 형성되어 있지 않고, 소스(14) 및 드레인(16)이 직접 피에조 저항체(10)에 접촉한다. 소스(14) 및 드레인(16)이 압전체(12)에 접촉하고 있다. 그 밖의 구성은 실시예 7과 같고 설명을 생략한다.21 (a) is a cross-sectional view of a transistor according to a
도 22(a)는 실시예 7의 변형예 2에 의한 트랜지스터의 사시 단면도, 도 22(b) 및 도 22(c)는 단면도이다. 도 22(a) 내지 도 22(c)에 나타내는 바와 같이, 게이트(18a 및 18b)는 압전체(12)의 y 방향의 양측에 설치되어 있다. 압전체(12)의 분극 방향(22)은 -y 방향 또는 y 방향이다. 그 밖의 구성은 실시예 7의 변형예 1과 같으며 설명을 생략한다. 또한, 실시예 7과 마찬가지로 금속 콘택트층(15 및 17)을 형성해도 좋다. 또한, 소스(14) 및 드레인(16)은 압전체(12)에 접촉하고 있어도 된다. 이 때, 소스(14) 및 드레인(16)과 게이트(18a 및 18b)는 접촉하지 않도록 한다.22 (a) is a perspective sectional view of a transistor according to a
도 23은 실시예 7의 변형예 3에 의한 트랜지스터의 단면도이다. 도 23에 나타내는 바와 같이, 지지부(10b)의 단면 형상이 사다리꼴 형상으로 되어 있다. 그 밖의 구성은 실시예 7 및 그 변형예 1 및 2와 같으며 설명을 생략한다.23 is a cross-sectional view of a transistor according to a
실시예 7 및 그 변형예와 같이, 압전체(12)는 캐리어의 전도 방향(Y 방향)에 직교하는 방향의 일부의 방향으로부터 피에조 저항체(10)를 둘러싸도록 설치되어 있어도 된다. 실시예 1과 같이, 압전체(12)는 캐리어의 전도 방향에 직교하는 방향의 모든 방향으로부터 피에조 저항체(10)를 둘러싸도록 설치되어 있을 경우에 비하여, 피에조 저항체(10) 및 압전체(12)의 형성이 용이하게 된다.The
기판(25) 상에 피에조 저항체(10)의 상부(10a)만 형성한 것에서는 압전체(12)의 압력이 피에조 저항체(10)에 효율적으로 가해지지 않는다. 그래서, 상부(10a)를 지지하는 지지부(10b)(지지체)를 설치한다. 피에조 저항체(10)의 상면은 곡면이며, 압전체(12)를 피에조 저항체(10)의 상부(10a)의 상면 및 지지부(10b)의 측면을 둘러싸도록 형성한다. 이것에 의해, 상부(10a)에 효율적으로 압력이 가해진다. 상부(10a)의 XZ 단면 형상이 반원인 경우를 예로 들어 설명했지만, 상부(10a)의 XZ 단면 형상은 반타원 형상, 원의 일부, 또는 타원의 일부, 머시룸 형상 등이어도 좋다. 지지부(10b)는 피에조 저항체(10)가 아니어도 좋다. 피에조 저항체(10)에 압력을 효율적으로 가하기 위해서, 지지부(10b)의 영율 및 포와송비는 피에조 저항체(10)와 같은 정도인 것이 바람직하다. 이 때문에, 지지부(10b)의 재료는 피에조 저항체(10)의 재료와 같은 것이 바람직하다. 또한, 지지부(10b)의 재료는 피에조 저항체(10)의 재료와 달라도 좋다.The pressure of the
또한, 지지부(14b 및 16b)는 각각 소스(14) 및 드레인(16)이 아니어도 좋다. 지지부(14b 및 16b)가 압전체(12)와 접촉하고 있을 경우, 지지부(14b 및 16b)는 영율이 작은 재료가 바람직하다. 제조 공정의 효율성의 관점으로부터 지지부(14b 및 16b)는 소스(14) 및 드레인(16)과 같은 재료인 것이 바람직하다. 금속 콘택트층(15 및 17)을 형성할 경우에는, 금속 콘택트층(15 및 17)은 상부(10a)와 상부(14a)의 사이, 및 상부(10a)와 상부(16a)의 사이에 형성되어 있으면 좋다. 게이트 전극(18) 또는, 압전체(12) 및 게이트 전극(18)은 기판(25)으로의 전기전도를 발생시키지 않도록 기판(25)으로부터 떨어져서 설치하는 것이 바람직하다. 지지부(10b, 14b 및 16b)를 상부(10a, 14a 및 16a)의 각각과 다른 재료로 할 경우, 예를 들면 기판(25)의 상면을 가공해서 지지부(10b, 14b 및 16b)로 해도 된다. 즉, 지지부(10b, 14b 및 16b)의 재료는 기판(25)의 재료와 같아도 좋다.Further, the supporting
지지부(10b)의 높이가 제로 또는 낮으면, 상부(10a)에 효율적으로 압력이 가해지지 않는다. 지지부(10b)의 높이는 피에조 저항체의 상부(10a) 폭과 같거나 그것보다 큰 것이 바람직하다.When the height of the
실시예 7 및 실시예 7의 변형예 1과 같이, 압전체(12)의 분극 방향(22)을 압전체(12)가 피에조 저항체(10)를 둘러싸는 방향 또는 그 반대 방향(예를 들면, 압전체(12)와 피에조 저항체(10)의 계면의 법선 방향 및 그 반대 방향)으로 해도 된다. 이 경우, 실시예 1의 도 3(a) 내지 도 4(b)와 마찬가지로 동작한다. 실시예 7의 변형예 2과 같이, 압전체(12)의 분극 방향(22)을 캐리어의 전파 방향 또는 그 반대 방향으로 해도 된다. 이 경우, 실시예 1의 변형예의 도 5(a) 내지 도 5(f)와 마찬가지로 동작한다. 또한, 금속 콘택트층(15 및 17)은 형성해도 좋고 형성하지 않아도 좋다. 또한, 실시예 7 및 그 변형예에 있어서의 트랜지스터의 각 재료는 실시예 1과 같은 것을 사용할 수 있다. 기판(25)은, 예를 들면 규소 기판으로 할 수 있다. 실시예 2 내지 실시예 5 및 그 변형예의 전자회로에, 실시예 7 및 그 변형예의 트랜지스터를 사용할 수 있다.The
도 7(a) 내지 도 11(b)에 있어서의 시뮬레이션에서는 피에조 저항체(10) 내의 압력분포가 대략 일정하다고 간주하고 있다. 이것은 피에조 저항체(10)의 채널길이가 짧을 경우, 또는 실시예 1의 변형예 및 실시예 7의 변형예 2에 있어서 성립한다. 이 시뮬레이션을 시뮬레이션 1이라고 한다. 그러나, 실시예 1 및 실시예 7 및 그 변형예 1에 있어서, 예를 들면 채널 길이를 어느 정도 이상으로 길게 하면, 피에조 저항체(10)에 압력이 점진적으로 가해진다. 그래서, 도 6(a)의 구조를 사용하고, 피에조 저항체(10)에 가해지는 압력이 점진적으로 해서 시뮬레이션을 행했다. 이 시뮬레이션을 시뮬레이션 2라고 한다. 각 시뮬레이션은 피에조 저항체(10) 중 상부(10a)의 실효적 단면적을 사용함으로써 실시예 7에 적용할 수 있다.In the simulations shown in Figs. 7 (a) to 11 (b), the pressure distribution in the
도 24(a)는 시뮬레이션 2를 사용한 드레인 특성을 나타내는 도면이고, 도 24(b)는 시뮬레이션 1과 시뮬레이션 2를 비교한 드레인 특성을 나타내는 도면이다. IPR=3㎚, LPE=40㎚, hPR=12㎚, HPE=30㎚ 및 aPR/APE=0.4로 했다. 게이트 전압(VG)은 화살표 방향으로 0V에서 0.2V까지 0.02V 스텝이다. 도 24(a)에 나타내는 바와 같이, 드레인 전압(VD)이 높아지면 드레인 전류(ID)는 포화된다.FIG. 24A is a diagram showing drain
도 24(b)에 나타내는 바와 같이, 저드레인 전압(VD)에 있어서는 시뮬레이션 1과 시뮬레이션 2는 거의 일치하고 있다. 그러나, 드레인 전압(VD)이 높아지면 시뮬레이션 1에서는 드레인 전류(ID)는 포화하지 않는다. 시뮬레이션 2에서는 드레인 전류(ID)는 포화한다. 이와 같이, 실시예 1 및 7에서는 드레인 전류(ID)가 포화할 가능성이 있다. 실시예 1의 변형예, 실시예 7의 변형예 2 및 비교예 1과 같은 구조에서는 드레인 전류(ID)는 포화하지 않는다. 또한, 실시예 6 및 그 변형예에 있어서도 드레인 전류(ID)가 포화할 가능성이 있다.As shown in Fig. 24 (b),
이어서, 실시예 5의 도 17(a) 및 도 17(b)과 같은 인버터 회로(91)의 PET(97a 및 97b)로 해서, 실시예 7의 트랜지스터를 사용했을 경우에 대해서 전달 특성을 시뮬레이션했다. 도 25는 인버터 회로의 전달 특성을 나타내는 도면이다. 도 25에 나타내는 바와 같이, 시뮬레이션 2에서는 시뮬레이션 1에 비해 입력 전압(Vin)의 변화에 대하여, 출력 전압(Vout)이 급준하게 변화된다.Next, transfer characteristics were simulated for the case of using the transistor of Example 7 as the
도 25를 사용하여, 인버터 회로(91)를 루프 형상으로 접속한 쌍안정 회로에 있어서의 버터플라이 커브를 시뮬레이션했다. 도 26(a) 및 도 26(b)는 각각 시뮬레이션 1 및 시뮬레이션 2에 있어서의 쌍안정 회로의 버터플라이 커브를 나타내는 도면이고, 노드(Q)의 전압(VQ)에 대한 노드(QB)의 전압(VQB)을 나타내는 도면이다. 파선은 버터플라이 커브의 개구에 들어가는 최대의 정방형을 나타낸다. 이 정방형의 1변의 길이가 노이즈 마진으로 된다. 도 26(a)에 나타내는 바와 같이, 시뮬레이션 1과 같이 드레인 전류가 포화하지 않을 경우 노이즈 마진은 약 55mV이다. 도 26(b)에 나타내는 바와 같이, 시뮬레이션 2와 같이 드레인 전류가 포화할 경우 노이즈 마진은 약 77mV이다. 이 시뮬레이션의 예에서는, 드레인 전류가 포화할 경우의 노이즈 마진은 드레인 전류가 포화하지 않을 경우의 1.4배로 된다.25, the butterfly curve in the bistable circuit in which the
실시예 1 및 실시예 7과 같이, 압전체(12)의 분극 방향을 피에조 저항체(10)로부터 게이트(18)를 향하는 방향 또는 게이트(18)로부터 피에조 저항체(10)를 향하는 방향으로 한다. 이것에 의해, 시뮬레이션 2와 같이 드레인 전류를 포화시킬 수 있다. 따라서, 도 26(b)와 같이 노이즈 마진을 크게 할 수 있다.The polarization direction of the
실시예 8Example 8
도 27은 실시예 8에 의한 전자회로의 블럭도이다. 전자회로는, 마이크로 프로세서(110)는 파워 매니지먼트 유닛(112), 불휘발성 SRAM 어레이(114) 및 파워 도메인(116)을 갖고 있다. 불휘발성 SRAM 어레이(114)는 파워 스위치(120)를 갖고 있다. 파워 도메인(116)은 파워 스위치(120) 및 불휘발성 플립플롭(118)을 갖고 있다. 파워 매니지먼트 유닛(112)은 불휘발성 SRAM 어레이(114) 및 파워 도메인(116)의 파워 스위치(120)를 사용하고, 불휘발성 SRAM 어레이(114) 및 파워 도메인(116)에 공급되는 전원을 차단 또는 저감할 수 있다.27 is a block diagram of an electronic circuit according to the eighth embodiment. In the electronic circuit, the
불휘발성 SRAM 어레이(114)에, 실시예 3 또는 실시예 4에 있어서 설명한 메모리셀을 사용할 수 있다. 이것에 의해, 불휘발성 SRAM 어레이(114)를 저전압으로 구동 가능해진다. 또한, 예를 들면 전원차단을 행할 때에는 불휘발 기억도 가능해 진다. 실시예 3의 변형예에 있어서 설명한 플립플롭 회로를 파워 도메인(116) 내의 불휘발성 플립플롭(118)으로서 사용할 수 있다. 이것에 의해, 불휘발성 플립플롭(118)을 낮은 전압으로 구동 가능해진다. 또한, 예를 들면 전원차단을 행할 때에는 불휘발 기억도 가능해진다. 파워 도메인(116) 내의 논리회로로서 실시예 5에 있어서 설명한 논리회로를 사용할 수 있다. 이것에 의해, 저전압 구동이 가능하고, 또한 일반의 CMOS 회로에 비해서 고속으로 동작이 가능해진다. 실시예 2에 있어서 설명한 파워 스위치를 파워 스위치(120)로서 사용할 수 있다. 이것에 의해, 파워 스위치(120)에 의한 전압강하를 낮게 억제할 수 있다. 이상에 의해, 보다 이상에 가까운 저전압 구동 논리 시스템의 불휘발성 파워게이팅이 가능해진다.The memory cell described in
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명했지만, 본 발명은 관계되는 특정의 실시예에 한정되는 것은 아니고, 특허청구 범위에 기재된 본 발명의 요지의 범위 내에 있어서 여러가지 변형·변경이 가능하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims.
10 : 피에조 저항체 10a : 상부
10b : 지지부 12 : 압전체
14 : 소스 16 : 드레인
18 : 게이트 22 : 유전분극 방향
30, 90 : PET 32 : 회로
80 : 불휘발성 소자10:
10b: Support part 12:
14: source 16: drain
18: gate 22: dielectric polarization direction
30, 90: PET 32: circuit
80: Nonvolatile element
Claims (16)
상기 피에조 저항체에 상기 캐리어를 주입하는 소스와,
상기 피에조 저항체로부터 상기 캐리어를 받는 드레인과,
상기 피에조 저항체를 둘러싸도록 설치되고, 상기 피에조 저항체에 압력을 가하는 압전체와,
상기 압전체가 상기 피에조 저항체에 압력을 가하도록 상기 압전체에 전압을 인가하는 게이트를 구비하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터.A piezoresistive element through which the carrier conducts,
A source for injecting the carrier into the piezo resistor,
A drain for receiving the carrier from the piezo resistor,
A piezoelectric body provided so as to surround the piezo resistor and applying pressure to the piezoresistor,
And a gate for applying a voltage to the piezoelectric body so that the piezoelectric body applies pressure to the piezo resistor.
상기 게이트는 상기 압전체를 둘러싸도록 설치되고,
상기 압전체는 상기 피에조 저항체로부터 상기 게이트를 향하는 방향 또는 상기 게이트로부터 상기 피에조 저항체를 향하는 방향으로 유전분극하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터.The method according to claim 1,
The gate is provided so as to surround the piezoelectric body,
Wherein the piezoelectric body is dielectric-polarized in a direction from the piezo resistor to the gate or in a direction from the gate to the piezoresistor.
상기 게이트는 상기 피에조 저항체 내의 채널을 전도하는 상기 캐리어의 전도 방향에 평행한 방향으로 복수 설치되고,
상기 압전체는 상기 평행한 방향으로 유전분극하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터.The method according to claim 1,
The plurality of gates are provided in a direction parallel to the conduction direction of the carrier conducting the channel in the piezoresistor,
Wherein the piezoelectric body is dielectric-polarized in the parallel direction.
상기 압전체는 상기 캐리어의 전도 방향에 직교하는 모든 방향으로부터 상기 피에조 저항체를 둘러싸도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 트랜지스터.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the piezoelectric body is provided so as to surround the piezo resistor from all directions orthogonal to the conduction direction of the carrier.
상기 압전체는 상기 캐리어의 전도 방향에 직교하는 일부의 방향으로부터 상기 피에조 저항체를 둘러싸도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 트랜지스터.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the piezoelectric body is provided so as to surround the piezo resistor from a direction orthogonal to the conduction direction of the carrier.
기판 상에 형성되고, 상기 피에조 저항체를 지지하는 지지체를 구비하고,
상기 피에조 저항체의 상면은 곡면이며,
상기 압전체는 상기 피에조 저항체의 상면 및 상기 지지체의 측면을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 트랜지스터.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
And a support member formed on the substrate and supporting the piezo resistor,
The upper surface of the piezo resistor is a curved surface,
And the piezoelectric body surrounds the upper surface of the piezo resistor and the side surface of the support body.
상기 지지체의 높이는 상기 피에조 저항체의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 트랜지스터.The method according to claim 6,
And the height of the support is larger than the width of the piezo resistor.
상기 지지체의 재료는 상기 피에조 저항체의 재료와 같은 것을 특징으로 하는 트랜지스터.8. The method according to claim 6 or 7,
Wherein the material of the support is the same as the material of the piezo resistor.
상기 지지체의 재료는 상기 피에조 저항체의 재료와 다른 것을 특징으로 하는 트랜지스터.8. The method according to claim 6 or 7,
Wherein the material of the support is different from the material of the piezo resistor.
상기 피에조 저항체에 상기 캐리어를 주입하는 소스와,
상기 피에조 저항체로부터 상기 캐리어를 받는 드레인과,
상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로부터 상기 피에조 저항체에 압력을 가하는 압전체와,
상기 압전체가 상기 피에조 저항체에 압력을 가하도록 상기 압전체에 전압을 인가하는 게이트를 구비하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터.A piezo resistor which conducts carriers in a first direction,
A source for injecting the carrier into the piezo resistor,
A drain for receiving the carrier from the piezo resistor,
A piezoelectric body for applying pressure to the piezo resistor from a second direction intersecting the first direction,
And a gate for applying a voltage to the piezoelectric body so that the piezoelectric body applies pressure to the piezo resistor.
상기 소스와 상기 드레인은 상기 피에조 저항체에 있어서의 상기 소스와 상기 드레인의 중간의 면에 대하여 대칭인 구조이며,
상기 피에조 저항체, 상기 압전체 및 상기 게이트는 각각 상기 중간의 면에 대하여 대칭인 구조인 것을 특징으로 하는 트랜지스터.11. The method according to any one of claims 1 to 10,
Wherein the source and the drain are symmetrical with respect to a plane between the source and the drain in the piezoresistor,
Wherein the piezoresistor, the piezoelectric body and the gate are symmetrical with respect to the intermediate surface, respectively.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 트랜지스터로서, 상기 소스 및 상기 드레인의 어느 한쪽이 상기 제 1 전원에 접속되고, 상기 소스 및 상기 드레인의 다른쪽이 상기 회로의 전원단자에 접속되며, 상기 회로에 공급되는 전력을 차단하는 신호가 상기 게이트에 입력되는 트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자회로.A circuit connected between the first power source and the second power source,
The transistor according to any one of claims 1 to 11, wherein either the source or the drain is connected to the first power source, and the other of the source and the drain is connected to the power source terminal of the circuit And a transistor for inputting a signal for interrupting power supplied to said circuit to said gate.
데이터를 기억하는 쌍안정 회로와,
상기 쌍안정 회로에 기억된 데이터를 불휘발적으로 스토어하고, 불휘발적으로 스토어된 데이터를 상기 쌍안정 회로에 리스토어하는 불휘발성 소자를 구비하고,
상기 회로는 상기 쌍안정 회로인 것을 특징으로 하는 전자회로.13. The method of claim 12,
A bistable circuit for storing data,
And a nonvolatile element for storing the data stored in the bistable circuit in a nonvolatile manner and restoring the nonvolatile stored data in the bistable circuit,
Wherein the circuit is the bistable circuit.
상기 불휘발성 소자는 상기 쌍안정 회로 내의 노드와 제어선의 사이에 접속 되어 있는 것을 특징으로 하는 전자회로.14. The method of claim 13,
And said nonvolatile element is connected between a node in said bistable circuit and a control line.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 트랜지스터로서, 상기 불휘발성 소자와 직렬로 상기 소스 또는 상기 드레인이 접속된 상기 트랜지스터를 구비하는 불휘발성 메모리셀을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자회로.A nonvolatile element,
12. The electronic circuit according to any one of claims 1 to 11, comprising a nonvolatile memory cell including the transistor in which the source or the drain is connected in series with the nonvolatile element.
상기 제 1 및 제 2 트랜지스터의 상기 압전체의 유전분극 방향은 서로 역방향이며, 상기 소스를 기준으로 해서 상기 게이트에 정의 전압 또는 부의 전압을 가했을 경우에 상기 압전체가 상기 피에조 저항체에 압력을 인가할 수 있는 방향인 것을 특징으로 하는 전자회로.12. A transistor according to any one of claims 1 to 11, comprising first and second transistors complementary to each other,
Wherein a dielectric polarization direction of the piezoelectric body of the first and second transistors is opposite to each other and when a positive voltage or a negative voltage is applied to the gate on the basis of the source, the piezoelectric body can apply pressure to the piezo resistor Direction.
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